基于RSMA的VLC系统优化方法

本发明属于室内可见光通信，进一步涉及vlc系统的优化，具体为一种基于速率分割多址接入rsma(rate-splitting multiple access)的可见光通信vlc(visiblelight communication)系统优化方法。可用于研究并分析基于rsma的室内可见光通信系统中最优解码策略、混合自动重传harq(hybrid automatic repeat request)辅助方案以及通信系统的中断概率、安全中断概率、可靠且安全传输概率和有效吞吐量，为室内可见光通信系统的设计提供量化指导。

背景技术：

0、技术背景

1、近年来，随着移动设备的日益增多，数据业务的不断丰富与拓展，移动通信技术得到了飞速的发展，并很快地融入当前生活当中，成为人类社会发展进步中不可或缺的重要部分。与此同时，射频rf(radio frequency)频谱逐渐稀缺，这给无线通信行业带来巨大挑战。而可见光通信vlc由于其无电磁辐射、无需频谱授权、安全性高、能耗低等优点受到广泛关注，并逐渐成为射频通信的替代技术之一。vlc利用380nm至780nm波长范围内的可见光进行通信，同时集成照明和通信。与无线电射频相比，可见光拥有无需许可的带宽和巨大的频谱，比由于过度使用而高度拥塞的整个无线电频谱大10000倍。因此，vlc技术具有巨大的潜力来应对室内通信中对大规模连接的迫切需求。同时，由于其较高的鲁棒性，干扰管理的灵活性，频谱的有效性等优点，速率分割多址接入rsma作为一个新兴的多址接入技术近年来已经引起广泛关注。因此，近年来将rsma与vlc相结合以进一步提高系统频谱效率也逐渐成为一个新的研究热点。

2、然而，室内vlc技术的研究和发展也面临着许多挑战和难题，由于可见光信号的广播特性，vlc系统也面临被窃听的威胁。同时，在多用户接入系统中，由于rsma对于干扰管理的灵活性，用户可以自由选择不同的解码顺序，从而对系统的连接可靠性和安全性能造成不同影响。因此如何选择最佳的解码顺序并提高vlc系统的可靠性和安全性是非常必要的。

3、混合自动重传harq作为一种无线传输中差错控制的有效解决方案，它通过将自动重传arq(automatic repeat request)和纠错码ecc(error correction code)相结合，能够提供比单独的ecc系统或具有纯arq的系统更高的可靠性。通过harq协议，当接收机解码消息失败时，接收机可以向发射机发送一个负向反馈nack(negative acknowledgement)信号，告诉发射机未正确解码；发射机接收到nack后将重新发送新消息，直到接收机发送回正向反馈ack(acknowledgement)信号或达到最大传输次数。此外，大量研究也证明了harq可以提高通信系统的安全性。

4、目前，现有技术仍存在以下不足之处：1)harq辅助的基于rsma的相关研究都是建立在射频基础之上的，vlc系统中尚未有相关研究；2)基于rsma的vlc系统的相关研究中都没有考虑用户移动性和解码顺序对系统性能的影响，也没有对系统的安全性能的相关研究。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于rsma的vlc系统优化方法。用于解决基于rsma的可见光通信系统中缺乏考虑用户实际移动情况以及该情况下可靠性和安全性相对较低的技术问题。首先，通过已有的可见光通信系统信道模型，建立一个基于rsma的可见光通信vlc系统并结合harq协议对该系统进行优化，在综合考虑用户移动性、解码策略以及harq协议中最大传输次数的影响下，计算出用户的中断概率、安全中断概率、可靠且安全传输概率和有效安全吞吐量等系统指标，评估优化后系统的可靠性和安全性。本发明能够降低用户的中断概率，同时在最佳解码顺序下降低用户的安全中断概率，提高用户的可靠且安全传输概率，以及有效安全吞吐量。

2、本发明实现上述目的具体步骤如下：

3、(1)构建基于rsma的vlc系统，该系统包含一个合法用户和一个不可信用户，其中不可信用户在vlc系统运行期间尝试窃取合法用户信息，且合法用户和不可信用户的分布均服从随机路点模型；

4、(2)对基于rsma的vlc系统引入混合自动重传harq协议，构建接收信号模型：

5、(2.1)令i∈{1,2}表示用户，其中用户1表示不可信用户、用户2表示合法用户；假设发送给不可信用户和合法用户的信息分别是w1和w2，基于速率分割多址接入rsma原理，wi被分为两部分，即公共部分wi,c和私有部分wi,p；其中公共部分被编码为一个公共流sc，私有部分分别被编码为用户1私有流s1和用户2私有流s2；得到vlc系统的发射信号x表达式：

6、

7、其中，pt表示发射功率，a1、a2、ac分别是s1、s2、sc的功率分配系数；idc为直流发射功率；

8、(2.2)在合法用户处采用混合自动重传harq协议，并在接收端利用最大比合并的方式建立接收信号模型：

9、

10、其中，l表示信号实际传输的总次数，k＝1,2,...,l；表示第l次传输后的接收信号，为第k次传输vlc系统的信道增益，ωk表示合并系数，表示均值为0、方差为σ2的加性高斯白噪声；

11、(3)根据收信号模型推导用户i在第l次传输后解码公共流的信干噪比

12、

13、其中ac＝ac/a2，a＝a1/a2，

14、(4)按照用户的解码顺序构建d11、d12、d21和d22四种解码策略，其中d11表示用户1优先解码用户1自身信息，用户2优先解码用户1信息；d12表示用户1优先解码用户1自身信息，用户2优先解码用户2自身信息；d21表示用户1优先解码用户2信息，用户2优先解码用户1信息；d22表示用户1优先解码用户2信息，用户2优先解码用户2自身信息；计算不同解码策略下，第l次传输后用户i解码用户j的私有流的信干噪比

15、(5)根据vlc系统信道增益的概率密度函数fh(hi)构建用户处接收信号信干噪比的概率密度函数fx(x)和累积分布函数fx(x)：

16、

17、

18、其中，m是朗伯阶数，apd是有效探测器面积，t和g分别是光滤波器和聚光器增益；d是led灯的高度，r是led辐照区域半径；

19、(6)预先设定信号最大传输次数为l，且l≥l；分别计算合法用户在不同解码策略下经过l次传输后的中断概率、安全中断概率、可靠且安全传输概率以及有效安全吞吐量；

20、(7)取l＝1，比较不同解码策略下系统的四项性能指标，即步骤(6.1)-(6.4)中计算得到的中断概率、安全中断概率、可靠且安全传输概率和有效安全吞吐量，确定最佳解码策略；并在最佳解码策略下再次引入harq协议，实现系统优化。

21、本发明与现有技术相比具有如下优点：

22、第一、由于本发明考虑了接收端用户的移动性，在构建基于rsma的可见光通信系统时采用随机路点模型，使得系统符合实际应用场景，从而保证了计算得到的中断概率、安全中断概率、可靠且安全传输概率以及有效吞吐量的准确性。

23、第二、本发明在按照用户的解码顺序构建了四种解码策略，通过计算获取不同解码策略下的中断概率、安全中断概率、可靠且安全传输概率以及有效吞吐量，并对其进行分析和比较，从而能够获得最佳的解码策略。

24、第三、由于本发明在用户处采用了harq协议，增强了用户的连接稳定性，从而降低了用户的中断概率和安全中断概率，同时提高了用户的可靠且安全传输概率和有效安全吞吐量。