LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输优化方法

技术领域

本发明属于可见光通信领域，尤其涉及一种LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输优化方法。

背景技术

物联网设备的数量不断增加，不断给无线网络带来巨大的带宽负担。考虑到在室内环境中产生的无线数据80％以上，可见光通信(VLC)或光保真度(LiFi)在400-790T Hz中具有巨大的免许可证带宽，支持高速数据传输和室内照明同时进行。LiFi利用现成的发光二极管(LED)和光电二极管(PD)作为收发器，可以集成到物联网设备中。虽然LiFi是下一代无线解决方案的竞争对手，但易受阻塞和小信号覆盖仍然给各种室内应用带来许多挑战。

发明内容

发明目的：为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输优化方法，包括如下步骤：

步骤1，对LiFi-WiFi聚合系统进行设定；

步骤2，求解聚合LiFi-WiFi系统可达速率；

步骤3，求解LiFi-WiFi聚合系统的最优离散星座输入；

步骤4，求解基于下界和上界的最优离散星座输入分布。

步骤1包括：考虑一个LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输，其中发射机配备了一个发光二极管LED和一个WiFi天线，接收机配备一个单光子探测器PD和一个射频天线，发射机同时通过LiFi链路和WiFi链路传输信息，其中LiFi链路和WiFi链路的带宽分别为B

设

步骤1还包括：在LiFi-WiFi聚合系统中，传输的信号分布在离散星座上，设定LiFi链路信号通过M脉冲幅度调制发送，WiFi链路信号通过N-正交幅度调制发送，信号x

其中Pr(·)表示求概率；x

WiFi信号x

其中x

步骤1还包括：设q

其中η

步骤1还包括：对LiFi信号的功率控制需要满足平均光功率和峰值光功率要求，如下所示：

q

其中，

步骤1还包括：设

其中

步骤2包括：

步骤2-1，将聚合LiFi-WiFi系统可达速率R

其中

步骤2-2，基于离散星座点输入的LiFi-WiFi聚合系统，给定LiFi链路和WiFi链路带宽B

其中，

步骤3包括：

步骤3-1：LiFi-WiFi聚合系统的最优离散星座输入问题表述为：

q

其中，

步骤3-2：可达速率R

其中，

步骤3-3：定义

其中，

定义

其中，

引入辅助变量w、

则可达速率R

步骤3-4：问题(7)等效如下问题(14)：

p

其中

问题(14)中，

功率分配子问题1：给定的p

概率分布子问题2：给定的

对于功率分配子问题1：当给出p

其中，

问题(15)对

对于概率分布子问题2：当给出

s.t.p

p

问题(16)是一个有两个变量p

综上所述，求解优化问题(7)，可以通过迭代求解功率分配子问题(15)和概率分布子问题(16)，可以得到最大可达速率R

步骤4包括：

步骤4-1：在离散星座点输入条件下，LiFi链路传输速率R

步骤4-2：在离散星座点输入条件下，给出WiFi链路可达速率的上界和下界，如下所示：

步骤4-3：让

步骤4-4：基于可达速率

此外，通过定义：

将

则问题(20)用如下公式表示：

为了解决问题(23)，通过迭代求解以下两个子问题，功率分配子问题3和概率分布子问题4，直到整体问题达到收敛为止：

功率分配子问题3：当p

采用近似梯度投影法解决问题(24)，并得到LiFi和WiFi链路的最优功率分布

概率分布子问题4：用给定的

s.t.p

p

其中，

则问题(25)分为两个独立的子问题，分别为问题(26)：

s.t.p

和问题(27)

s.t.p

其中，

应用Frank-Wolfe方法来解决问题(26)和(27)，从而得到LiFi链路p

步骤4-4还包括：将得到的

有益效果：本发明所提出的LiFi-WiFi聚合系统框架可以克服频繁的链路切换，从而提高系统数据速率，并提供可靠的通信。本发明提出的LiFi-WiFi聚合系统的下行链路优化方法，导出了具有任意离散分布的精确可达速率表达式，不仅方法计算精度高，求解速度快，而且能得到最优的输入分布和功率分配，从而显著地提高了系统的可达速率和能效。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1a为LiFi链路在不同SNR

图1b为LiFi链路在不同SNR

图1c为LiFi链路在不同SNR

图2a为WiFi链路在SNR

图2b为WiFi链路在SNR

图2c为WiFi链路在SNR

图2d为WiFi链路在不同SNR下各自的可达速率R

图3a为LiFi-WiFi系统在不同P

图3b为LiFi-WiFi系统在不同P

图4a为LiFi-WiFi系统在不同P

图4b为LiFi-WiFi系统在不同P

图5a为LiFi-WiFi系统在带宽B

图5b为LiFi-WiFi系统在带宽B

图6a为在问题(7)的最优解下R

图6b为在问题(20)的最优解下R

具体实施方式

在本发明中，从实际的通信角度考虑了一个LiFi-WiFi聚合系统。首先，导出了具有任意离散分布的LiFi-WiFi聚合系统的精确可达速率表达式，鉴于这种速率表达式不是封闭形式的，进一步导出了下界和上界。然后，优化了离散星座输入分配和功率分配，以最大程度地提高导出的可达速率，为了解决这个非凸问题，利用了互信息和最小均方误差(MMSE)之间的关系，通过不精确梯度下降法计算出离散星座的最优概率分布。本发明的结果为LiFi-WiFi聚合系统提供了一个相对实用的设计框架。

LiFi-WiFi聚合系统的模型：

考虑了一个LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输，其中发射机配备了一个发光二极管(LED)和一个WiFi天线，接收机配备一个单光子探测器(PD)和一个射频天线。发射机同时通过LiFi链路和WiFi链路传输信息，其中LiFi链路和WiFi链路的带宽分别为B

在一个实用的LiFi-WiFi通信系统中，传输的信号分布在离散星座上，设定LiFi链路信号通过M脉冲幅度调制(PAM)发送，WiFi链路信号通过N-正交幅度调制(QAM)发送。更具体地说，信号x

WiFi信号x

设q

其中η

此外，为了人的眼睛安全考虑，对LiFi信号的功率控制还需要满足平均光功率和峰值光功率要求：

设

其中

A.LiFi-WiFi聚合系统的可达速率

对于离散星座点的LiFi-WiFi聚合系统，可达速率仍然是未知的。为了解决这个问题，将可达速率R

其中

引理1：基于离散星座点输入的LiFi-WiFi聚合系统，给定LiFi链路和WiFi链路带宽B

其中，

Lifi-Wifi聚合系统的最优离散星座输入

基于R

q

其中，

对于问题(7)，可以用反证据法证明q

其中，

通过将(8)替换到(5)，可以将可达速率R

其中，

通过定义

其中，

定义

其中，

接下来，引入辅助变量：

则可达速率R

基于上述定义，问题(7)可等效如下

p

其中

问题(14)中，

A.功率分配子问题1：

当给出p

其中，

问题(15)对

B.概率分布子问题2：

当给出

s.t.p

p

这是一个具有两个变量p

综上所述，求解优化问题(7)，可以通过迭代求解功率分配子问题(15)和概率分布子问题(16)，可得到最大可达速率R

基于下界和上界的最优离散星座输入分布：

由于可实现速率(6a)和(6b)都不是封闭表达式，因此(5)的计算效率很低。为了降低计算复杂度，可以使用显式表达式作为目标函数。因此，可使用LiFi链路的可达速率R

引理2：在离散星座点输入条件下，LiFi链路传输速率R

此外，还推导了WiFi链路可达速率R

引理3：在离散星座点输入条件下，给出WiFi链路可达速率的上界和下界分别为

然后，让

基于可达速率

此外，通过定义

可将

则，问题(20)用公式表示如下：

可以看出目标函数(23)相对于

A.功率分配子问题3：

首先，解决了功率分配子问题3：固定的p

由于log

B.概率分布子问题4：

接下来，解决概率分布子问题4：用给定的

s.t.p

p

其中，

然后，问题(25)分为如下两个独立的子问题：

s.t.p

和

s.t.p

其中，

应用Frank-Wolfe方法来解决问题(26)和(27)，从而得到LiFi链路p

进一步而言，将以上子问题得到的

注意，基于可达速率上界

本发明从以下两个角度研究LiFi-WiFi聚合系统的性能：输入的最优离散星座图和功率分配方案。对于离散星座输入，首先推导出LiFi-WiFi聚合系统的可达速率表达式。然后，研究了星座分布和功率分配的速率最大化问题，通过利用互信息和离散输入的最小均方误差之间的关系，提出了一种非精确梯度下降法来获得最优概率分布。为了在复杂性和性能之间取得平衡，最大限度地提高星座分布和功率优化方面的可达速率，降低了复杂度，其中，最优功率分配可以以封闭的形式得到，星座分布问题可以用Frank-Wolfe方法有效地解决。多个数值结果表明，与最新方案相比，优化的星座分布和功率可显著提高可达速率。

图1a和图1b说明了LiFi链路在不同信噪比SNR

图1c显示了LiFi链路在不同信噪比SNR

图2a、图2b和图2c说明WiFi链路在信噪比SNR

图2d说明WiFi链路在不同信噪比SNR

图3a说明LiFi-WiFi系统在不同平均电功率门限P

图3b说明LiFi-WiFi系统在不同瞬时光功率门限P

图4a说明LiFi-WiFi系统在不同平均电功率门限P

图4b说明LiFi-WiFi系统在不同瞬时光功率门限P

图5a说明LiFi-WiFi系统在不同带宽B

图5b说明LiFi-WiFi系统在不同带宽B

图6a说明在问题(7)的最优解下，可达速率R