基于有限字母输入正交频分复用可见光与射频聚合系统的最优谱效研究.pdf

基于有限字母输入正交频分复用可见光与射频聚合系统的最优谱效研究马 帅*鲁姗妹 何凌燕 盛海鸿 曹世昱方 啸 王洪梅 李世银(中国矿业大学信息与控制工程学院 徐州 221116)(东南大学移动通信国家重点实验室 南京 210096)(西安邮电大学陕西省信息通信网络及安全重点实验室 西安 710121)摘 要：迄今为止，基于有限字母输入的正交频分复用(OFDM)可见光(VLC)和射频(RF)聚合系统的信息理论界仍然是未知的。基于这种情况，该文推导出OFDM VLC-RF聚合系统的无闭式形式的可达速率及其下界闭式表达式，并且研究了满足平均光功率和总电功率约束的基于可达速率及其下界的频谱效率(SE)最大化问题。该文利用互信息与最小均方误差(MMSE)之间的关系对速率偏导数进行了处理，提出双重注水算法解决谱效最大化问题。由于谱效的非闭式形式导致双重注水方案计算复杂度高，该文进一步研究具有闭式形式的谱效最大化问题，并使用内点法解决。仿真结果表明聚合系统相比于单个链路在通信性能上的优越性，以及基于可达速率下界的频谱效率可以作为基于可达速率的频谱效率的一个很好的低复杂度近似。关键词：可见光射频聚合系统；正交频分复用；频谱效率中图分类号：TN929文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)06-2034-11DOI:10.11999/JEIT220521Research on Optimal Spectral Efficiency of Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing Visible Light Communication-RadioFrequencyAggregation System Based on Finite Alphabet InputsMA Shuai LU Shanmei HE Lingyan SHENG Haihong CAO Shiyu FANG Xiao WANG Hongmei LI Shiyin(School of Information and Control Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)(National Mobile Communications Research Laboratory,Southeast University,Nanjing 210096,China)(Shaanxi Province Information and Communications Network and Security Laboratory,Xian University of Posts and Telecommunications,Xian 710121,China)Abstract:So far,the information theory of Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)Visible LightCommunication(VLC)and Radio Frequency(RF)aggregation systems based on finite alphabet inputs is stillunknown.Based on this situation,the achievable rate of unclosed expression and the lower bound with closedexpression of OFDM VLC-RF aggregation system are derived,and the maximization of Spectral Efficiency(SE)based on achievable rate and its lower bound satisfying the constraints of average optical power and totalelectric power is studied.In this paper,the relationship between mutual information and Minimum MeanSquare Error(MMSE)is used to deal with the rate partial derivative,and the double Water-filling algorithm isproposed to solve the maximization problem of spectral efficiency.Because the non-closed form of spectralefficiency leads to high computational complexity of the double Water-filling algorithm,this paper furtherstudies the problem of spectral efficiency maximization with closed form and uses the interior point method to 收稿日期：2022-04-27；改回日期：2022-06-28；网络出版：2022-07-05*通信作者：马帅基金项目：国家青年科学基金(62101557)，东南大学移动通信国家重点实验室开放研究基金(2021D02)Foundation Items:The National Science Fund for Young Scholars (62101557),The Open Research Fund of NationalMobile Communications Research Laboratory,Southeast University(2021D02)第45卷第6期电 子 与 信 息 学 报Vol.45No.62023年6月Journal of Electronics&Information TechnologyJun.2023solve it.The simulation results show that the aggregation system has the advantages in communicationperformance compared with a single link,and the spectral efficiency based on the lower bound of achievablerate can be used as a good low complexity approximation of the spectral efficiency based on achievable rate.Key words:Visible Light Communication-Radio Frequency(VLC-RF)aggregation system;OrthogonalFrequency Division Multiplexing(OFDM);Spectral Efficiency(SE)1 引言大规模新兴应用，如虚拟现实、超高清视频、智能工业、智能家居和互动游戏14的出现，催促了物联网(Internet of Things,IoT)的诞生并且对无线通信网络系统性能提出了挑战。同时，随着物联网的迅猛发展，连接的设备数量在急剧增加，导致全球的数据流量在不断的增长，甚至导致每年的流量水平达到皆字节的量级，导致频谱资源严重匮乏。为应对室内射频频谱稀缺的挑战，可见光通信(Visible Light Communication,VLC)拥有可允许使用带宽高达约400 THz，并且作为一种既提供照明又提供数据传输的通信技术5引起了极大的关注。具体来说，通过利用发光二极管(Light Emit-ting Diode,LED)作为发射器和光电探测器(PhotoDetector,PD)作为接收器，VLC可以提供高吞吐量和低成本的数据通信。然而，尽管VLC作为非常有前景的技术，但其容易被阻塞，这有可能会降低VLC的用户服务质量。鉴于VLC的弊端，利用射频(Radio Frequency,RF)和VLC的互补特性，如VLC的巨大带宽和RF传输的衍射能力，将VLC和RF集成在一起，可以提供高速和可靠的数据传输。实际上的传输信号都是基于离散星座点的方式分布的，研究根据星座点输入的信号可以更好地了解实际通信系统的性能，并且在通信系统中更容易实现。这种情形下，本文研究贴合于实际的有限字符输入下的频谱效率。考虑带限加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道，文献6给出了高斯和有限字母输入的下界，使用谱效分析和误码率仿真，评估了非正交多址接入(Non-Orthgonal Multiple Access,NOMA)模型的用户速率、总和速率、遍历容量和误码率。文献7提出了一种频谱高效的自适应调制离散傅里叶变换扩展正交频分复用方案，该方案提高了VLC系统的误码率和频谱效率。文献8提出的动态导频符号辅助信道估计技术在每个正交频分复用(Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing,OFDM)技术符号的每个子载波处提供独立的信道估计，可以在移动环境中以高频谱效率实现多载波通信。为了进一步系统地提高频谱效率，相关学者对其进行了研究。在VLC-OFDM系统中，OFDM能将高速数据流分配到若干个速率相对较低的频率子信道上，消除了载波间的干扰9，并且能提高频谱效率而得到了广泛应用。文献7提出一种频谱高效的自适应调制离散傅里叶变换扩展极性正交频分复用方案，提高了VLC系统的频谱效率(Spectral Ef-ficiency,SE)。文献8提出的动态导频符号辅助信道估计技术在每个OFDM符号的每个子载波上提供独立的信道估计，可以在移动环境中实现具有高频谱效率的多载波通信。在有限字母输入的情况下，OFDM VLC-RF聚合系统的信息理论界仍然是未知的，所以本文推导出OFDM VLC-RF聚合系统无闭式形式的可达速率及其下界闭式表达式，并且基于这两种通信速率研究谱效最大化问题。此外，在总电功率和平均光功率约束下，本文利用拉格朗日函数、卡罗需-库恩-塔克(Karush-Kuhn-Tucker,KKT)条件以及互信息与最小均方误差(Minimum Mean-Square-dError,MMSE)之间的内在关系，提出双重注水算法解决了谱效最大化问题。然而由于频谱效率不是闭式表达式，导致双重注水方案计算复杂度高，因此本文进一步研究有闭式表达式的谱效最大化问题，采用内点法来解决这个凸问题。2 系统模型2NvNrss=sv,srsvsrsvsr2NvNr考虑用于室内下行链路通信的OFDM VLC-RF聚合系统模型，如图1所示，其中消息可以通过VLC链路中的具有个子载波的非对称限幅光学OFDM和RF链路中的具有个子载波的OFDM同时传输。具体来说，消息 首先分为两部分，即，其中和 分别通过VLC链路和RF链路传输。然后，通过串并(S/P)转换器，将和 分别分成和，然后它们被正交幅度(Quadra-ture Amplitude Modulation,QAM)调制。Xv,iipv,ipr,kikXv,i对于VLC链路，令表示VLC链路第 个子载波上的调制信号。此外，让和分别表示VLC链路的第 个子载波和RF的第 个子载波的分配功率，为了保证IFFT的实值输出，应该满足厄米特对称性Xv,2i=Xv,2(Nvi)2=0,i=0,1,.,Nv/2 1Xv,2(Nvi)1=Xv,2i+1,i=1,2,.,Nv/2(1)第6期马 帅等：