基于协作非正交多址接入和多用户分集的无线光通信方法

本发明属于光通信，特别涉及一种基于协作非正交多址接入和多用户分集的无线光通信方法，可用于多用户水下无线光通信系统。

背景技术：

1、水下无线光通信是以蓝绿光为载波，以海水为传输介质实现双向通信的新型视距传输通信技术。由于其频带宽，传输速度高，抗干扰能力强，保密性强以及体积小的优点，因而具有实现高速大容量通信的潜力。然而光在水中传播会受到海水湍流以及水中分布的粒子与杂质引起的路径损耗的影响，为了提高系统的性能，科研人员提出了多种技术来抑制上述因素的影响，包括协作非正交多址接入技术，多用户分集技术，其中：

2、多用户分集技术，是利用湍流带来的信道衰落随机性，优化资源分配，以提升整个系统的性能。2019年，pang等人在《optics communications》上发表的“水下无线光通信系统多用户分集调度方案的性能研究”一文，提出将多用户分集技术引入水下无线光通信系统中，并分析了不同用户调度算法的性能。但是该方法在每一个传输时隙，中心结点根据当前系统所有用户的信道状态信息仅能选择一个用户进行通信，不能在同一时隙同时服务于多个用户，不能满足随着人类探索海洋的需求日益增长，越来越多的水下设备之间需要进行通信的需求。

3、非正交多址接入技术作为5g核心技术，不同于传统的正交多址接入方式，其采用叠加编码技术，通过分配不同的功率因子使叠加信号在相同的时间、频带及空域中传输，能够有效地提高系统的频谱利用率。2021年，m.elamassi等人在《ieee access》上发表了“capacity analysis of noma-enabled underwater vlc networks”一文，该文分析了非正交多址引入水下光通信中，结果表明相比于正交频分多址，非正交多址接入系统能够获得更大的容量，能给信道条件较差的远用户分配更多的功率，但对于远用户性能的提升仍然有限。

4、协作非正交多址技术，是将信道条件好的用户看作中继将信息转发给信道条件差的用户，可以进一步提升信道条件较差的远用户的性能。2021年，k.w.s.palitharathna等人在《ieee open journal of the communications society》上发表了“average rateanalysis of cooperative noma aided underwater optical wireless systems”一文，其将协作非正交多址技术引入水下光通信中，研究系统的平均传输速率。但由于这种协作非正交多址技术都是针对单个远近用户的场景，没有利用系统中的其它空闲用户，因而造成资源的浪费。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于协作非正交多址接入和多用户分集的无线光通信方法，以提高水下无线光通信中用户的接入数目和网络资源利用率。

2、为实现上述目的，本发明的实现步骤包括如下：

3、1)设源节点已知所有远近用户的信道状态信息，基于多用户调度算法选择信道状态最佳的一个远用户和一个近用户进行数据传输；

4、2)根据源节点发送的电功率ps，远用户的功率分配系数αf和近用户的功率分配系数αn，源节点通过功率域叠加远用户信号xf和近用户信号xn，向远近用户同时发送叠加信号x：

5、

6、3)近用户和远用户接收源节点发送的信号，分别得到接收信号和

7、

8、

9、其中，ρ是光电转换系数，υ是电光转换系数，nn是均值为0，方差为的高斯白噪声,nf是均值为0，方差为的高斯白噪声,和分别是源节点到远用户和源节点到近用户的海洋信道衰落系数；

10、4)近用户利用串行干扰删除，先解调出功率大的信号xf，从接收信号中减去xf，得到中间信号再从中解调出自己的信号xn；

11、5)近用户作为中继通过译码转发协议或放大转发协议向远用户发送信号，远用户收到的信号或

12、

13、

14、其中为近用户到远用户的信道衰落系数，pn是中继发射功率，是放大系数；

15、6)远用户将从源节点和中继节点分别发来的两路接收信号或通过选择合并解码出信号xf，完成无线光通信。

16、本发明与现有技术相比具有如下优点：

17、第一，本发明将协作非正交多址接入技术与多用户分集技术相结合，即考虑多个近用户和多个远用户，源节点可同时服务远用户群和近用户群，扩大了水下无线光系统可接入用户的数量，充分利用了系统中的所有用户，提高了系统资源利用率，提高了整个系统的频谱效率和吞吐量。

18、第二，本发明考虑了水下环境中路径损耗和海洋湍流共同作用的信道特性，更符合实际场景的应用；同时由于考虑了译码转发和放大转发两种中继方案，使其应用更为广泛和全面。

技术特征：

1.一种基于协作非正交多址接入和多用户分集的无线光通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中基于多用户调度算法选择信道状态最佳的一个远用户和一个近用户分别确定如下：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)公式中的近用户的功率分配系数αn和远用户的功率分配系数αf，是按照要给信道条件差的远用户分配更多的功率的原则确定，即αf＞αn，且αf+αn＝1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)公式中源节点到远用户的海洋信道衰落系数和源节点到近用户的海洋信道衰落系数分别确定如下；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中近用户作为中继通过译码转发协议向远用户发送信号，是由近用户对步骤(4)中解调出来的远用户信号xf进行其重新编码后转发给远用户。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中近用户作为中继通过放大转发协议向远用户发送信号，是由近用户将其接收到的信号直接放大转发给远用户，其放大增益该增益与源节点和近用户之间的信道状态有关。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中远用户将从源节点和中继节点通过译码转发分别发来的两路接收信号中，通过选择合并解码出信号xf，实现如下；

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中远用户将从源节点和中继节点通过放大转发分别发来的两路接收信号中通过选择合并解码出信号xf，实现如下；

技术总结
本发明公开了一种基于协作非正交多址接入和多用户分集的无线光通信方法，主要解决现有技术可接入用户数量少，用户资源利用率低的问题。其实现方案为：构建协作非正交多址接入水下多用户分集无线光通信系统；源节点根据多用户调度算法选择出信道最佳的远用户和近用户；源节点通过功率域叠加远近用户信号，同时向远近用户发送叠加信号；近用户通过串行干扰消除，解调出自己的信号；近用户作为中继利用译码转发协议或放大转发协议向远用户发送信号；远用户通过选择合并源节点和中继节点发来的两路信号，解调出自己的信号。本发明提高了用户接入数目，源节点能同时服务多个用户群，提升了系统中断性能，可用于多用户水下无线光通信系统。

技术研发人员：陈雯雯,王平,李刚刚
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13