[发明专利]一种基于可见光通信MU-MIMO-OFDM系统的多维度混合调光方法

权利要求书

1.一种基于可见光通信MU-MIMO-OFDM系统的多维度混合调光方法，其特征在于，具体实施步骤为：

步骤一、构建室内可见光通信MU-MIMO-OFDM系统的混合调光模块，并计算实际激活的工作LED数目N_a，构成初始的工作LED集合；

混合调光模块中发送端包括N_t个LED，从中激活n_t个LED满足接收端K个用户的通信和照明需求；接收端包括N_r个PD，且满足n_t≥N_r；针对第j个接收端用户，分配N_r,j个PD，同时传输多条数据流；

混合调光模块联合空间和模拟两个维度设计而成，可见光通信MU-MIMO-OFDM系统的归一化调光等级为：

其中，I_B表示工作的LED混合调光所采用的直流偏置，I₀定义为通信性能最优的参考直流偏置；

经过四舍五入取整，实际激活的工作LED集合数目为N_a＝[μN_t]；且所有工作的LED的直流偏置I_B表示为：

步骤二、混合调光模块控制将每个用户发送的多路比特经过正交幅度调制后映射为复信号，输入到各用户的预编码矩阵中进行编码，编码后的信号再映射到各LED上，得到每个LED的频域复信号；

第j个用户的预编码矩阵W_j，表示如下：

其中，表示N_r,j×N_r,j的酉矩阵，为第j个用户的信道矩阵的零空间，由奇异值分解得到；第j个用户中每个PD和每个工作LED构成的信道矩阵表示为：

其中，h_q,i表示第i个LED和第j个用户的第q个PD构成的LoS链路的信道直流增益；

步骤三、将每个LED的频域复信号经过傅里叶反变换得到每个LED的OFDM时域信号，将所有的时域信号叠加直流偏置，构成实际工作LED的驱动信号，经过电光转换，经发送端LED发出；

LED的驱动信号为为第j个用户的多路比特经过映射后的复信号组成的发送向量；

步骤四、针对各接收用户，LED发出的可见光信号经过信道传输，接收端用户通过各自的解码酉矩阵，恢复自身的发送信号向量；

LED发出的可见光信号经过信道传输后，相当于分别左乘了各用户的信道矩阵；且用户数据在发送端进行了块对角化预编码BDP，接收信号已经去除了其他用户的信号干扰；

第j个用户的解码酉矩阵U_j为N_r,j×N_r,j的矩阵；

第j个用户的接收信号向量表示为：

其中，R表示PD的光电转换系数，为第j个用户的信道中的加性高斯噪声向量；ΔI＝min(I_h-I_B,I_B-I_l)表示时域OFDM信号的幅度；I_l为LED动态区间输入的电流最小值，I_h为LED动态区间输入的电流最大值；为调制系数，其中η_dB＝10log(1+η²)为时域OFDM信号的削峰调节参数；P_e为OFDM时域信号向量的电功率；

步骤五、分析由于非线性每个工作LED引入到用户信号中的等效削峰噪声，并进行建模；

第j个用户的等效削峰噪声的建模公式为

其中，表示每个工作LED的OFDM时域信号的削峰噪声功率；

针对第i个工作的LED经过削峰后的时域信号公式表示为：

其中，F表示时域信号造成的衰减系数，w_clip为时域信号的削峰噪声，由LED的非线性效应引入，w_clip服从0均值的高斯分布，方差为削峰噪声功率

步骤六、每个用户的加性高斯噪声和削峰噪声构成了各用户的等效噪声，利用等效噪声分别计算各用户的有效信噪比；

第j个用户的有效信噪比Γ_j(elec)计算公式如下：

λ_j,q为第j个用户的对角矩阵Λ_j的奇异值，对应第q个PD的数据流；对角矩阵Λ_j由第j个用户信道矩阵的奇异值构成；G_B＝(N-2)/N表示子载波利用率，N表示子载波数；表示第j个用户的等效噪声，M表示每个用户的比特流QAM调制过程采用的调制阶数；

步骤七、利用用户的有效信噪比建立该用户的误码率表达式；

接收端第j个用户的可达误码率BER_j用公式表示为：

其中，Q(·)表示标准正态分布的互补累计分布函数；

步骤八、设计基于最大化最小奇异值的发射端天线选择TAS算法，从所有的LED中确定最优的工作LED集合，降低用户信道的相关性，提升接收端用户的有效信噪比，从而保障用户的误码率性能；

具体步骤如下：

步骤801、从N_t个LED中任选N_a个作为实际工作LED集合，共形成个候选集合，从中选择一个集合S投入使用，其中|S|＝N_a；

步骤802、针对实际K个用户，构建由集合S中的各LED和每个用户的各PD组成的信道矩阵，并计算各用户的对角矩阵；

Λ_j,S表示当工作LED集合为S时，第j个用户的信道矩阵的奇异值构成的对角矩阵；

用数学公式求得：

H_j,S为集合S中的各LED和第j个用户的各PD构成的用户信道矩阵；为用户信道矩阵H_j,S的零空间，由奇异值分解得到；表示N_S,j×N_S,j的酉矩阵；U_j,S为N_r,j×N_r,j的酉矩阵；

步骤803、根据每个用户的对角矩阵计算各用户的最小奇异值；

第j个用户的最小奇异值表达式为：

步骤804、利用每个用户的最小奇异值的平方除以有效信号功率的比值，得到K个比值，从中选择最小的比值作为集合S的比值；

数学表示：

步骤805、返回步骤801，选择下一个候选集合，依次计算每个候选集合的比值；从个比值中选择最大值，对应的LED集合作为最优工作LED集合S_opt：