[发明专利]可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法

说明书

本发明公开了可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法，涉及可见光通信技术，用于解决目前许多研究者将约束松弛为峰值功率约束和平均光功率约束来寻找最优发射信号的近似，但是这种方法并不能实用。对于可见光通信，点对点信道的容量以及多用户信道的可达速率域依然是一个开放问题，研究者目前致力于寻找足够优良的估计方法和上界与下界。它提供一种针对SISO点对点以及SISO多用户的可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法。这种发射信号产生方法具有闭式表达式，并且满足可见光通信对于有限峰值功率、有限平均光功率和有限平均电功率的约束，能够在理论上证明这种方法优于其他方法，形式简单易于应用。

技术领域

本发明涉及可见光通信技术，具体来说，是可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法。

背景技术

可见光通信是一种新型无线通信技术，相比于现有的射频无线通信技术，可见光通信技术具有传输速率高，带宽资源丰富且无须授权，能耗低，没有无线电电磁干扰，保密性好等诸多有点，因此各国学术界与工业界都在这一领域投入大量人力物力，并取得了一定的阶段性成果。未来可见光通信技术可以在人流密集区域，如机场、车站和商城等，以及一些电磁辐射要求严苛的场所，如矿井、医院和飞机等，提供高速可靠的无线网络覆盖，因而可见光通信技术也被认为是5G移动通信系统的关键构成技术之一。

目前，可见光通信主流的系统框架是强度调制/直接检测(IM/DD)，基本原理如图1所示，首先将携带有原始信息的电信号进行基带调制，然后使用发光二极管(LED)作为发射装置，利用基带调制后的电信号控制发光二极管产生强度高频变化的光信号，经过无线光信道之后，使用光电检测器(PD)作为接收装置进行直接检测，将光信号还原为电信号，从而恢复出原始信息。

可见光通信通常建立在LED照明系统的基础上，首先要保证室内照明的相关要求。因此，与建立在有限平均电功率约束下的射频无线通信系统不同，可见光通信为了保证人眼安全与舒适度要求以及照明亮度要求，还需要满足有限峰值功率约束和有限平均光功率约束，同时为了满足LED与光学器件的性能要求，有限平均电功率约束也与射频无线通信有着一定不同之处。

发射信号产生方法和信道容量分析是通信信息处理与编码、功率分配优化以及资源调度优化的重要基础之一。射频无线通信最优发射信号为满足平均电功率约束的高斯分布，这一发射信号产生方法并不满足可见光通信的约束条件。根据既有研究表明，满足可见光通信三个约束的最优发射信号是一个有限的离散分布，但是分布中随机变量取值和概率大小都只能通过穷举搜索的方法得到，无法求解处闭式表达式，导致这种方法难以应用于功率分配和资源调度等重要领域。

目前许多研究者将约束松弛为峰值功率约束和平均光功率约束来寻找最优发射信号的近似，但是这种方法并不能实用。对于可见光通信，点对点信道的容量以及多用户信道的可达速率域依然是一个开放问题，研究者目前致力于寻找足够优良的估计方法和上界与下界。

发明内容

本发明目的是旨在提供了一种针对SISO点对点以及SISO多用户的可见光点对点及广播通信系统信号产生与容量计算方法。

提供一种闭式表达式，并且满足可见光通信对于有限峰值功率、有限平均光功率和有限平均电功率的约束的计算方法。

在本发明的提出的发射信号产生方法的基础上，本发明利用信息论相关理论进一步提出了一种对于可见光通SISO点对点信道上界与下界以及SISO多用户广播信道可达速率域内界的估计方法，形式简单，准确度高于常用方法。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可见光通SISO点对点信道发射信号产生方法以及信道容量上界与下界估计方法，一个典型的可见光SISO点对点通信系统模型如图2所示，首先根据凸优化和信息论相关理论和方法求解满足可见光三种约束，以最大化为信源熵为目标函数的优化模型；然后根据信息论相关理论，得到信道容量的上界与下界，具体步骤如下：