一种用户公平性的速率分集辅助的可见光通信方法及系统

技术领域

本发明属于可见光通信的技术领域，具体涉及一种用户公平性的速率分集辅助的可见光通信方法及系统。

背景技术

随着高速率通信服务应用于生活中各行各业，智慧城市、智能家居和智能交通等物联领域迅猛发展，超高清视频和增强现实等新型业务逐渐兴起，6G及未来无线通信网络必须要满足高数据速率、密集型高容量、强安全性和超低延迟通信这些基本需求，可见光通信（Visible Light Communication，VLC）作为满足上述需求的有效技术之一，可以同时提供高速通信和高效照明服务，能够有效的缓解当前传统无线电的频谱紧张问题，因此可见光通信的研究具有积极意义。

然而，由于发光二极管（Light Emitting Diode，LED）器件调制带宽有限，可见光通信的频谱利用率亟须提高。作为4G和5G技术中最为成熟的正交频分多址技术可以有效提高频谱效率，而由于可见光通信信号需要满足非负实数信号，将正交频分复用技术应用于可见光同通信需要做出适配性调整，而由此将造成正交频分复用技术的频谱增益或能量效率明显降低。同时，非正交多址技术通过在时域、码率或功率域资源的非正交叠加的方式提高系统的频谱利用效率，但因为采用了非正交叠加编码方式，为此其接收端的解码复杂度相比于正交多址更加复杂，并且其复杂度随着叠加用户数的递增而指数级增长。为此，探索适合于可见光通信的新型多址调制接入技术对于提高系统频谱效率和用户连接能力至关重要。

速率分集多址（Rate Splitting Multiple Access，RSMA）得益于消息的拆分设计以及用户消息的公共部分和私有部分之间的功率分配策略，相比于现有的正交频分多址和非正交多址接入机制，RSMA具有速率高、鲁棒性好、频谱效率高、计算复杂度低、适用于各种无线网络负载（欠载和过载状态）等优点。得益于此，RSMA成为学术界和工业界的研究热点，并成为未来无线通信技术的有效支撑技术。

目前国内外对RSMA技术应用于VLC的研究还处于起步阶段，大部分研究主要集中在频谱效率以及总速率的性能表征，而对通信系统的另一性能指标，即速率公平性的研究较少。具体来说，当RSMA系统中存在多个用户时，需要考虑系统中用户之间的资源分配，也即为使每个用户能够尽可能分配到相等的资源，需要考虑系统的速率公平性问题，特别是对于依赖直射链路传输的可见光通信网络，由于可见光通信的信道增益与收发间距的平方成反比，其信道衰减相对于传统射频通信更为严重。为此，可见光通信网络的增益分布方差更大。换言之，可见光通信节点的边缘用户信道质量将显著弱于中心区域用户，而由此带来的用户公平性服务问题更加突出。

发明内容

基于此，本发明实施例当中提供了一种用户公平性的速率分集辅助的可见光通信方法及系统，旨在解决基于速率分集多址的可见光通信系统的速率公平性问题，以使可见光通信节点的边缘用户和中心区域用户尽可能分配到相等的资源。

本发明实施例的第一方面提供了一种用户公平性的速率分集辅助的可见光通信方法，所述方法包括：

步骤一，建立目标模型，并获取所述目标模型中的目标参数，根据所述目标参数计算信道增益矢量，其中，所述目标模型中包括至少一个光源和多个终端，所述信道增益矢量用于计算终端的最小可达速率；

步骤二，获取优化参数及所述优化参数对应的约束条件，将所述优化参数进行初始化处理，得到初始优化参数，其中，所述优化参数包括终端的最小可达速率、预编码矩阵、公共速率向量、终端解密公共流的干扰和噪声的第一向量以及终端解密私有流的干扰和噪声的第二向量；

步骤三，将所述初始优化参数迭代更新，得到目标参数，并确定所述目标参数中的目标最小可达速率；

步骤四，获取相邻两次更新后的目标最小可达速率，并计算目标差值，判断所述目标差值是否小于预设值；

步骤五，若否，则循环步骤三至步骤四，直至所述目标差值小于预设值；

步骤六，获取当前目标参数的目标公共速率向量和目标预编码矩阵，并根据所述目标公共速率向量和所述目标预编码矩阵，计算各终端的可达速率并输出，以保证各终端分配资源的公平性。

进一步的，所述建立目标模型，并获取所述目标模型中的目标参数，根据所述目标参数计算信道增益矢量的步骤中，所述信道增益矢量的计算公式为：

其中，

进一步的，所述信道增益矢量用于计算终端的最小可达速率，其中，终端的最小可达速率的计算公式为：

其中，

进一步的，所述获取优化参数及所述优化参数对应的约束条件，将所述优化参数进行初始化处理，得到初始优化参数的步骤中，所述预编码矩阵进行初始化的公式为：

其中，

所述公共速率向量进行初始化的公式为R

所述第一向量进行初始化的公式为：

其中，

所述第二向量进行初始化的公式为：

其中，

进一步的，所述将所述初始优化参数迭代更新，得到目标参数的步骤中，迭代更新的公式为：

其中，

进一步的，所述获取当前目标参数的目标公共速率向量和目标预编码矩阵，并根据所述目标公共速率向量和所述目标预编码矩阵，计算各终端的可达速率并输出的步骤中，可达速率的计算公式为：

其中，

本发明实施例的第二方面提供了一种用户公平性的速率分集辅助的可见光通信系统，所述系统包括：

目标模型建立模块，用于建立目标模型，并获取所述目标模型中的目标参数，根据所述目标参数计算信道增益矢量，其中，所述目标模型中包括至少一个光源和多个终端，所述信道增益矢量用于计算终端的最小可达速率；

初始化处理模块，用于获取优化参数及所述优化参数对应的约束条件，将所述优化参数进行初始化处理，得到初始优化参数，其中，所述优化参数包括终端的最小可达速率、预编码矩阵、公共速率向量、终端解密公共流的干扰和噪声的第一向量以及终端解密私有流的干扰和噪声的第二向量；

迭代更新模块，用于将所述初始优化参数迭代更新，得到目标参数，并确定所述目标参数中的目标最小可达速率；

判断模块，用于获取相邻两次更新后的目标最小可达速率，并计算目标差值，判断所述目标差值是否小于预设值；

循环模块，用于当判断所述目标差值不小于预设值时，则循环所述迭代更新模块至所述判断模块，直至所述目标差值小于预设值；

可达速率计算模块，用于获取当前目标参数的目标公共速率向量和目标预编码矩阵，并根据所述目标公共速率向量和所述目标预编码矩阵，计算各终端的可达速率并输出，以保证各终端分配资源的公平性。

本发明实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的用户公平性的速率分集辅助的可见光通信方法。

本发明实施例的第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所述的用户公平性的速率分集辅助的可见光通信方法。

与现有技术相比，通过建立目标模型，并获取目标模型中的目标参数，计算信道增益矢量以及终端的最小可达速率，再获取优化参数及优化参数对应的约束条件，进行初始化处理，后将初始优化参数迭代更新，得到目标参数，并确定目标参数中的目标最小可达速率，获取相邻两次更新后的目标最小可达速率，并计算目标差值，判断目标差值是否小于预设值，若否，则循环上述迭代更新，直至目标差值小于预设值，获取当前目标参数的目标公共速率向量和目标预编码矩阵，计算各终端的可达速率并输出，以解决基于速率分集多址的可见光通信系统的速率公平性问题，以使可见光通信节点的边缘用户和中心区域用户尽可能分配到相等的资源。

附图说明

图1为用户公平性的速率分集辅助的可见光通信方法的实现流程图；

图2为可见光通信网络场景示意图；

图3为基于速率分集多址接入的多用户公平的可见光通信系统发射端示意图；

图4为基于速率分集多址接入的多用户公平的可见光通信系统接收端示意图；

图5为本发明实施例一提供的一种基于速率分集多址接入的可见光通信系统的房间配置和用户场景示意图；

图6为本发明实施例二提供的一种用户公平性的速率分集辅助的可见光通信系统的结构示意图；

图7为本发明实施例三当中的电子设备的结构框图。

以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例提供了一种用户公平性的速率分集辅助的可见光通信方法，请参阅图1，为用户公平性的速率分集辅助的可见光通信方法的实现流程图，所述方法具体包括步骤一至步骤六。

步骤一，建立目标模型，并获取所述目标模型中的目标参数，根据所述目标参数计算信道增益矢量，其中，所述目标模型中包括至少一个光源和多个终端，所述信道增益矢量用于计算终端的最小可达速率。

具体的，首先建立目标模型，该目标模型为基于速率分集多址接入的多用户公平的可见光通信系统模型，请参阅图2，为可见光通信网络场景示意图，其中，存在

请参阅图3，为基于速率分集多址接入的多用户公平的可见光通信系统发射端示意图，其中，发射端采用如图3所示的发射机制实现RSMA辅助的多用户可见光通信信息传输。具体来说， RSMA分别把发送给用户

请参阅图4，为基于速率分集多址接入的多用户公平的可见光通信系统接收端示意图，其中，接收端采用如图4所示的接收机制实现RSMA辅助的多用户可见光通信信息传输。具体来说，用户通过连续干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）技术先解码公共信号并将其影响消除，用户

定义信号流

(1)

在VLC系统中，为了保证LED工作在线性工作区域内，避免信号失真，预编码矩阵

(2)

其中，

在接收器处，各用户所接收的光信号被其自身的PD检测并由PD将光信号转化为电信号。因此，第

(3)

其中，

，(4a)

(4b)

(4c)

其中，n表示为朗伯发射阶数，

进一步的，可以通过下述方法计算终端的最小可达速率，可以理解为用户的最小可达速率：

在可见光通信系统中，直流偏置不携带任何数据，可以通过交流（AC）耦合移除。因此，第

(5)

表示为公共流的预编码向量，/>

(6)

其中，

(7)

根据RSMA的解码原理，

(8)

解码完公共流之后，利用SIC技术消除公共数据流，由此可知，第

(9)

其中，

(10)

即终端（用户）的最小可达速率可表示为：

(11)

步骤二，获取优化参数及所述优化参数对应的约束条件，将所述优化参数进行初始化处理，得到初始优化参数，其中，所述优化参数包括终端的最小可达速率、预编码矩阵、公共速率向量、终端解密公共流的干扰和噪声的第一向量以及终端解密私有流的干扰和噪声的第二向量。

需要说明的是，预编码矩阵进行初始化的公式为：

其中，

公共速率向量进行初始化的公式为R

所述第一向量进行初始化的公式为：

其中，

所述第二向量进行初始化的公式为：

其中，

步骤三，将所述初始优化参数迭代更新，得到目标参数，并确定所述目标参数中的目标最小可达速率。

具体的，迭代更新的数学模型的推导过程为：

通过最大化最小用户可达速率来解决速率分集辅助的可见光通信系统中的速率公平性问题，构建的优化问题如下：

首先设定信号流

(12a)

(12b)

(12c)

(12d)

其中，

从问题重构的角度出发，为了能够有效地处理最大最小公平性问题，首先引入辅助变量

(13a)

(13b)

(13c)

(13d)

(13e)

由于该问题仍然是非凸问题，难以直接求解，接下来使用基于松弛变量和连续凸逼近求解优化问题，最终近似为凸问题。

优化问题（13），即（13a）至（13e），的非凸性来源于约束（13b）和（13c），为了处理约束（13b）的非凸性，首先引入松弛变量

/>

同理，为了处理（13c）的非凸性，我们引入松弛变量

至此，除了约束（14c）和约束（15c），其余约束条件均为凸约束。更进一步的，为了处理（14c）和（15c）的非凸性，本申请采用线性近似的方法将非凸约束转化为凸约束，进而通过迭代算法得到渐进最优解。对于（14c）和（15c），分别在点

(16a)

(16b)

综上所述，问题（12），即（12a）至（12d），最终可以转化为如下给定的数学模型，即迭代更新的数学模型：

(17a)

(17b)

(17c)

(17d)

(17e)

(17f)

(17g)/>

(17h)

(17i)

(17j)

(17k)

从上述模型可知，优化问题为凸优化问题，也即原始优化问题（12），即（12a）至（12d） 的近似凸问题，进而利用凸优化工具箱求解问题（17），即（17a）至（17k），即可获得原非凸优化问题的近似解。

在本实施例当中，记

步骤四，获取相邻两次更新后的目标最小可达速率，并计算目标差值，判断所述目标差值是否小于预设值，若否，则执行步骤五。

可以理解的，每次经过迭代更新后，都会生成新的目标参数，获取目标参数中的目标最小可达速率，并将相邻两次更新后的目标最小可达速率作差，差值即为目标差值。

步骤五，则循环步骤三至步骤四，直至所述目标差值小于预设值。

步骤六，获取当前目标参数的目标公共速率向量和目标预编码矩阵，并根据所述目标公共速率向量和所述目标预编码矩阵，计算各终端的可达速率并输出，以保证各终端分配资源的公平性。

在已知当前目标参数的目标公共速率向量和目标预编码矩阵的情况下，可以根据可达速率的计算公式计算各终端的可达速率，具体的，可达速率的计算公式为：

其中，

本发明的有益效果为：

1）首先建立了适配于可见光通信系统的速率分集多址接入，以此缓解调制带宽限制，进而提高可见光通信的频谱效率。

2）通过优化预编码矩阵和公共速率向量来最大化速率分集多址辅助的可见光通信系统中用户的最小可达速率，进而提高速率分集多址辅助的可见光通信系统的多用户公平性服务能力。

3）提出基于松弛变量和连续凸逼近的方法来求解该优化问题，从而使得原非凸问题可以通过凸优化工具箱快速求解并获得可行的优化解。

综上，本发明实施例提出的一种用户公平性的速率分集辅助的可见光通信方法，通过建立目标模型，并获取目标模型中的目标参数，计算信道增益矢量以及终端的最小可达速率，再获取优化参数及优化参数对应的约束条件，进行初始化处理，后将初始优化参数迭代更新，得到目标参数，并确定目标参数中的目标最小可达速率，获取相邻两次更新后的目标最小可达速率，并计算目标差值，判断目标差值是否小于预设值，若否，则循环上述迭代更新，直至目标差值小于预设值，获取当前目标参数的目标公共速率向量和目标预编码矩阵，计算各终端的可达速率并输出，以解决基于速率分集多址的可见光通信系统的速率公平性问题，以使可见光通信节点的边缘用户和中心区域用户尽可能分配到相等的资源。

下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：

实施例一

请参阅图5，图5为本发明实施例一提供的一种基于速率分集多址接入的可见光通信系统的房间配置和用户场景示意图，其中，两个LED灯具在

假定两个LED灯具位于天花板上，坐标分别为（2,2,3）和（3,2,3）；PD1表示为中心区域用户，PD2表示可见光通信节点边缘用户，两个单PD用户分别位于（2.5,2,1）和（4,3,1），即可通过坐标计算出接收用户与光辐射源LED之间的空间距离；假定PD的接收面积

初始化步骤：将优化参数初始化，得到初始优化参数，该优化参数包括终端的最小可达速率、预编码矩阵、公共速率向量、终端解密公共流的干扰和噪声的第一向量以及终端解密私有流的干扰和噪声的第二向量。具体的，基于问题（17），即（17a）至（17k），的约束条件生成初始优化参数

迭代更新步骤：将生成的初始值

判断步骤：判断目标差值是否小于预设值。

重复步骤：重复迭代更新步骤和判断步骤，直至满足目标差值小于预设值时，循环结束。

计算步骤：输出目标参数中公共速率向量

(18a)

(18b)

其中，

实施例二

请参阅图6，为本发明实施例二提供了一种用户公平性的速率分集辅助的可见光通信系统的结构示意图，所述用户公平性的速率分集辅助的可见光通信系统200具体包括：

目标模型建立模块21，用于建立目标模型，并获取所述目标模型中的目标参数，根据所述目标参数计算信道增益矢量，其中，所述目标模型中包括至少一个光源和多个终端，所述信道增益矢量用于计算终端的最小可达速率，其中，所述信道增益矢量的计算公式为：

其中，

/>

其中，

初始化处理模块22，用于获取优化参数及所述优化参数对应的约束条件，将所述优化参数进行初始化处理，得到初始优化参数，其中，所述优化参数包括终端的最小可达速率、预编码矩阵、公共速率向量、终端解密公共流的干扰和噪声的第一向量以及终端解密私有流的干扰和噪声的第二向量，其中，所述预编码矩阵进行初始化的公式为：

其中，

所述公共速率向量进行初始化的公式为R

所述第一向量进行初始化的公式为：

其中，

所述第二向量进行初始化的公式为：

其中，

迭代更新模块23，用于将所述初始优化参数迭代更新，得到目标参数，并确定所述目标参数中的目标最小可达速率，其中，迭代更新的公式为：

其中，

判断模块24，用于获取相邻两次更新后的目标最小可达速率，并计算目标差值，判断所述目标差值是否小于预设值；

循环模块25，用于当判断所述目标差值不小于预设值时，则循环所述迭代更新模块23至所述判断模块24，直至所述目标差值小于预设值；

可达速率计算模块26，用于获取当前目标参数的目标公共速率向量和目标预编码矩阵，并根据所述目标公共速率向量和所述目标预编码矩阵，计算各终端的可达速率并输出，以保证各终端分配资源的公平性，其中，可达速率的计算公式为：

其中，

实施例三

本发明另一方面还提出一种电子设备，请参阅图7，所示为本发明实施例三当中的电子设备的结构框图，包括存储器20、处理器10以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序30，所述处理器10执行所述计算机程序30时实现如上述的用户公平性的速率分集辅助的可见光通信方法。

其中，处理器10在一些实施例中可以是中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器20中存储的程序代码或处理数据，例如执行访问限制程序等。

其中，存储器20至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，SD或DX存储器等）、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器20在一些实施例中可以是电子设备的内部存储单元，例如该电子设备的硬盘。存储器20在另一些实施例中也可以是电子设备的外部存储装置，例如电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（FlashCard）等。进一步地，存储器20还可以既包括电子设备的内部存储单元也包括外部存储装置。存储器20不仅可以用于存储电子设备的应用软件及各类数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

需要指出的是，图7示出的结构并不构成对电子设备的限定，在其它实施例当中，该电子设备可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述的用户公平性的速率分集辅助的可见光通信方法。

本领域技术人员可以理解，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或它们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。