[发明专利]LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输优化方法

权利要求书

1.LiFi-WiFi聚合系统的下行链路传输优化方法，其特征在于，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B₁和B₂；

设表示发送的信号向量，其中x₁∈R和x₂∈C分别表示LiFi链路的发送信号和WiFi链路的发送信号，R为实数集合，C为复数集合；

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x₁取自具有基数M的非负实离散星座集Ω₁，表示为：

其中，Pr(·)表示求概率；x_1,k表示星座点，取值为非负实数；k表示星座点的序号，p_1,k表示x₁＝x_1,k的概率；参数A，P_e,1分别表示x₁的峰值光功率、平均光功率和电功率门限；

WiFi信号x₂取自一个具有基数N的复数离散星座集Ω₂，表示为：

其中，x_2,l表示星座点，取值为复数，l表示星座点的序号，p_2,l表示选择x_2,l的概率，P_e,2表示x₂的电功率门限；

步骤1还包括：设q₁∈R和q₂∈C分别表示x₁的功率放大因子和x₂的功率放大因子，q₁和q₂需满足平均功率约束，即：

其中η₁和η₂分别表示LiFi链路的功率放大器的效率和WiFi链路的功率放大器的效率，P_T表示平均电功率门限，中间参数ε₁和ε₂分别为：

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：

q₁A≤P_ins，

其中表示求均值，表示x₁的均值；P_o和P_ins分别表示平均光功率和瞬时光功率门限；

步骤1还包括：设表示信道向量，其中g₁和g₂分别是LiFi链路的信道增益和WiFi链路的信道增益；设y₁和y₂分别表示来自LiFi链路的接收信号和来自WiFi链路的接收信号，写成如下矢量形式：

其中是来LiFi链路的实高斯噪声，是来自WiFi链路的复高斯噪声，表示均值为0、方差为的高斯分布，表示均值为0、方差为的复高斯分布；

步骤2包括：

步骤2-1，将聚合LiFi-WiFi系统可达速率R_LiFi-WiFi定义为：

其中和分别表示LiFi链路的可达速率和WiFi链路的可达速率，I(x；y)表示信道平均互信息；

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B₁和B₂，则LiFi-WiFi聚合系统可达速率R_LiFi和R_WiFi分别为：

其中，表示求关于z₁函数的均值，表示求关于z₂函数的均值，表示信道增益g₂的共轭；

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：

q₁≤min(P_o/μ,P_ins/A), (7c)

其中，表示LiFi链路星座点的序号，表示WiFi链路星座点的序号；

步骤3-2：可达速率R_LiFi-WiFi写为：

其中，和分别表示LiFi链路和WiFi链路的发射功率；

步骤3-3：定义约束条件(7e)和(7d)写为：

其中，表示LiFi链路的星座点向量，x_1,M表示LiFi链路的第M个星座点，表示关于向量p集合，p₁表示LiFi链路的星座点概率向量，p_1,M表示x₁＝x_1,M的概率，表示元素全为1的1×M的行向量，p代表向量；

定义约束条件(7f)和(7g)写成：

其中，表示WiFi链路的星座点向量，x_2,N表示WiFi链路的第N个星座点，表示关于向量p集合，p₂表示WiFi链路的星座点概率向量，p_2,N表示x₂＝x_2,N的概率，表示元素全为1的1×N的行向量；

引入辅助变量：

则可达速率R_LiFi-WiFi重写为：

步骤3-4：问题(7)等效如下问题(14)：

其中τ表示P_o/μ,P_ins/A中的最小值；

问题(14)中，和的功率分配变量只包含在约束(14b)和(14c)中，而分布变量p₁和p₂只包含在约束(14d)中，问题(14)通过迭代求解以下两个子问题来处理，直到总体问题收敛：

功率分配子问题1：给定的p₁和p₂优化和

概率分布子问题2：给定的和优化p₁和p₂；

对于功率分配子问题1：当给出p₁和p₂时，问题(14)是一个最优的功率分配问题，如下问题(15)所示：

其中，h(·)表示关于的函数；

问题(15)对和是一个凸问题，采用注水法解决该问题，并得到最优功率分配和

对于概率分布子问题2：当给出和时，问题(14)表示为如下问题(16)：

问题(16)是一个有两个变量p₁和p₂的凸优化问题，采用不精确梯度下降法，并得到LiFi链路的概率分布p₁和WiFi链路的概率分布p₂；

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

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_VLC的上界和下界的闭式表达式分别为

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：让和分别表示R_LiFi-WiFi的下界和上界，得到：

步骤4-4：基于可达速率的下界，优化LiFi链路和WiFi链路的输入星座点概率分布和功率分配，以获得最大的传输速率下界优化问题表示如下：

此外，通过定义：

将改写如下：

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p₁和p₂被固定时，优化LiFi链路和WiFi链路的功率分配和问题(23)表述如下问题(24)：

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和

概率分布子问题4：用给定的和优化p₁和p₂的概率分布，当和固定时，问题(24)表示为如下问题(25)：

其中，

则问题(25)分为两个独立的子问题，分别为问题(26)：

和问题(27)

其中，表示关于p₁的函数，表示关于p₂的函数；

应用Frank-Wolfe方法来解决问题(26)和(27)，从而得到LiFi链路p₁的概率分布和WiFi链路p₂的最优概率分布；

步骤4-4还包括：将得到的p₁,p₂带入公式(22)，得到最大可达速率下界R^L_LiFi-WiFi。