[发明专利]一种聚合型VLC-RF系统

权利要求书

1.一种聚合型VLC-RF系统，其特征在于，包括发射机和接收机；

所述发射机包括N个发光二极管LED和M个射频RF发射天线；

所述接收机包括一个光电二极管PD和一个射频RF接收天线；

所述系统通过VLC可见光通信链路和RF射频链路同时传输信息；

令A表示系统传输的消息集，所述消息集分别编码为VLC可见光通信链路和RF射频链路的两个符号流s₁和s₂，其中|s₁|≤A，s₂～CN(0,1)，即s₁的均值为0，s₁的平均电功率为ε，ε是平均电功率约束，为求均值，s₂服从标准复高斯分布；

令x₁和x₂分别表示VLC可见光通信链路和RF射频链路的传输信号，发射端的发射信号写成如下的矢量形式：

其中和分别是VLC可见光通信链路的发射波束成形矢量和RF射频链路的发射波束成形矢量，和分别是第N个VLC可见光通信链路的发射波束成形标量和第M个RF射频链路的发射波束成形标量；I_DC＝I_DC1_N是直流偏置矢量，且I_DC是标量，表示的是每个发光二极管LED的直流偏置，1_N是元素都为1的N×1的矩阵；

p₁的分量必须满足以下条件：

其中N是发光二极管LED的总数；

令g₁＝[g_1,1,...,g_1,N]^T表示VLC可见光通信链路信道增益向量，其中g_1,i表示第i个发光二极管LED和光电二极管PD之间的信道增益，g_1,i表示为：

其中，m是朗伯辐射的阶数，即m＝-ln2/ln(cosθ_1/2)，θ_1/2是半功率角；A₁为接收端的光电二极管PD的检测区域；d_1,i是第i个发光二极管LED和光电二极管PD之间的距离；φ_i和分别是第i个VLC可见光通信链路的辐射角和入射角；Ψ_c是VLC可见光通信链路接收端的视场；

令g₂＝[g_2,1,...,g_2,N]^T表示RF射频链路信道增益向量，其中g_2,k表示第k个RF射频链路发射天线与接收天线之间的信道增益，g_2,k表示为：

其中j是虚数单位，a～CN(0,1)，即a是一个服从复高斯分布的随机变量，ψ_k是RF射频链路到达或者离开的角度，K是莱斯K因子，L(d_2,k)表示RF射频链路信道的路径损耗，路径损耗L(d_2,k)写成：

其中，d_2,k是用户与第k个发射天线之间的距离；L_σ～CN(0,σ²)是阴影衰落，d_B是断点距离；L_F(d_2,k)＝20log₁₀(d_2,k)+20log₁₀(f_c)-147.5是自由空间损耗，f_c是中心载波频率；

则所述系统的接收信号表示为：

其中y₁和y₂分别表示VLC可见光通信链路接收到的信号和RF射频链路接收到的信号，是VLC可见光通信链路接收到的实高斯噪声，则是RF射频链路接收到的复高斯噪声；是RF射频链路的功率谱密度，且其中k_B是玻耳兹曼常数，T是环境温度；

对系统的可达速率进行求解：I(x₁；y₁)和I(x₂；y₂)分别表示VLC可见光通信链路的互信息量和RF射频链路的互信息量，h(·)为对应随机变量的微分熵，设C_VLC-RF为所考虑的系统的信道容量，则它表示为：

其中表示的是关于发射信号x₁的函数，不等式(7c)由熵权不等式得到；(7d)式成立是因为s₁服从ABG分布，其中参数α，β和γ是下列等式的解：

T(A)-T(-A)＝e^1+α, (8a)

β(e^A(β-γA)-e^-A(β+γA)-e^1+α)＝0, (8b)

e^A(β-γA)((β-2γA)e^-2Aβ-β-2γA)+(β²+2γ)e^1+α＝4γ²εe^1+α, (8c)

其中s为随机变量，erf(·)为高斯误差函数；

令B₁和B₂分别表示VLC可见光通信链路的带宽和RF射频链路的带宽，所述系统的可达速率R_VLC-RF表示成：

采用如下方法对系统进行调光控制：

多LED的平均光功率必须满足：

其中，I_DC是每个发光二极管LED的直流偏置；

调光水平定义为平均光功率与最大光功率之比，其中参数τ决定了调光水平：

参数τ满足0＜τ≤1；

结合(10)(11)得到：

因为是第i个VLC可见光通信链路的发射波束成形标量，令I_H为LED最大允许电流，即：

因此，传输功率P_1,i需要满足：

由(2)(12)和(13)得到第i个VLC可见光通信链路的传输功率P_1,i满足：

令R_VLC和R_RF分别表示VLC可见光通信链路的可达速率和RF射频链路的可达速率，聚合型VLC-RF系统的照明速率区域表示为：

其中u₁和u₂分别表示发光二极管LED发射功率放大器的效率和RF射频链路发射天线的效率；P_T是所述系统的总功率阈值；

对所述系统的可达速率最大化问题进行求解，具体包括如下步骤：

步骤a1，所述系统的可达速率最大化问题表述为：

其中是为了简化表述而加入的辅助变量，e_i是单位向量；

最佳波束成形向量p₂与信道g₂方向一致，因此，最佳波束成形向量p₂写成：

其中v≥0表示波束成形向量p₂的功率；

步骤a2，当N＝1时，向量p₁退化为实数，其中P₁≥0；利用式(17)中的最佳波束成形向量，将式(16a)、(16b)、(16c)改写为如下公式：

P₁≥0,v≥0 (18d)

因为log₂(x)是一个凹函数，所以对于最优解至少有一个约束是有效的，当取最优解时，(18b)和(18c)中至少有一个约束是确定的，即或当时，约束(18b)也是有效的，因为(18a)中的第二个函数对于v是凹的，因此约束(18b)总是有效的，即

接下来，根据约束(18c)是否有效来进行分析：

当时，约束(18c)是无效的，即问题(17)重新表述为：

P₁≥0,v≥0 (19c)

将代入问题((19a)、(19b)、(19c)，得到：

其中是为了简化表述而引入的辅助变量，

令P₁^opt,1表示问题(20a)、(20b)的最优解，表示聚合型VLC-RF系统的最大速率，由得到一个稳定点P₁^sta：

其中参数

当0≤P₁≤P_T时，有：

否则，有：

当时，约束(18c)可能有效也可能无效，即或

当约束(18c)无效时，最大速率与时的情形相同；当约束(18c)有效时，问题(20a)、(20b)的最优解是并且所述系统相应的最大速率为：

此外，在这种情况下，令P₁^opt,2表示问题(20a)、(20b)的最优解，表示聚合型VLC-RF系统的最大速率，得到：

步骤a3，当N≥2时，对和这两种状态下的最佳波束成形向量p₁和v进行分析：

约束(16c)无效，最佳波束成形向量p₁与信道g₁有相同的方向，即：

其中ρ≥0是最佳波束成形向量p₁的功率；

将(26)代入(17)，则问题(16a)、(16b)、(16c)重新写为：

P₁≥0,v≥0 (27c)

令ρ^opt和v^opt表示问题(27a)、(27b)、(27c)的最优解，即最佳波束成形向量p₁和p₂的功率，表示问题(27a)、(27b)、(27c)的最大速率；因为问题等价地重新表述为：

其中是为了简化表述而引入的辅助变量；

令有驻点ρ_sta如下：

其中参数

因此，如果则有：

否则，有：

利用SDR技术将问题(16a)、(16b)、(16c)松弛为凸SDP问题，具体地，通过使用下面的等价关系：

忽略非凸秩约束rank(P₁)＝1，将问题(16a)、(16b)、(16c)松弛为：

问题(16a)、(16b)、(16c)是一个凸SDP问题，因此利用内点算法求解最优解P₁^opt和v^opt，P₁^opt和v^opt分别表示矩阵的最优解P₁^opt和最佳波束成形向量p₂的功率v^opt，情况复杂度为其中ζ＞0是一个给定的解精度；

当时，采用高斯随机化方法，得到问题(16)的一个波束成形向量p₁；而当时，将特征值分解最大化，得到最优波束成形矩阵P₁^opt；

对系统的能效最大化问题进行求解，具体包括如下步骤：

步骤b1，发射机的总功耗P_total为：

其中P_cir是系统的电路功耗，P_cir＝NP_cir,VLC+MP_cir,RF是由VLC链路的N路功耗和RF链路的M路功耗组成的功耗，其中P_cir,VLC为VLC链路部分的电路功耗，包括DAC功耗和LED驱动器功耗；P_cir,RF表示RF链路部分的电路功耗，包括DAC功耗和滤波器功耗；和分别表示的是矩阵和的迹；

步骤b2，根据式(34)和可达速率表达式(9)，所述系统的能效EE(p₁,p₂)定义为：

在最低速率要求、总功率阈值约束和调光控制下，所述系统的能效最大化问题表述为：

其中r≥0是最低速率要求；

通过引入两个新矩阵和公式(35)写成：

然后，利用如下性质：

去掉非凸秩约束，问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)松弛为：

定义一个新的函数F(P₁,P₂,λ)，其中λ是一个实变量：

然后，在满足约束(38b)、(38c)和(38d)的条件下，将参数λ在可行范围内取尽可能大的值，通过寻找方程F(P₁,P₂,λ)＝0的根来得到问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)的最优解；给定参数λ，求问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)的最优解表示为：

s.t.(38b),(38c),(38d),(38e)

对于一个固定的λ，问题(40)是P₁和P₂的凸优化问题，利用内点法获得最优的波束成形矩阵P₁和P₂，然后采用Dinkelbach型算法来解决问题(40)；

步骤b3，如果通过特征值分解得到问题(38a)、(38b)、(38c)、(38d)、(38e)的最优波束成形矩阵P₁^opt和P₂^opt；如果采用高斯随机化方法，得到问题(36a)、(36b)、(36c)、(36d)的一个可行解p₁^opt和p₂^opt。