[发明专利]一种室内VLC网络的联合用户分组和功率分配方法

权利要求书

1.一种室内VLC网络的联合用户分组和功率分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：对于接入VLC-NOMA系统的N个用户，根据朗伯辐射模型，计算LED与用户之间的用户信道增益，并按照用户信道增益升序排列并编号用户，即h₁＜h₂＜L＜h_N，用户i的信道增益h_i计算公式为：

其中，A表示光接收机的接收面积，朗伯辐射系数m＝-ln2/log₂[cos(θ_1/2)]，θ_1/2是LED的半功率角，d_i是LED和第i个用户之间的直线距离，θ_i和φ_i分别是LED的发射角和第i个用户的接收角，ψ_FoV是光接收机视场角，T_S(φ_i)是光集中器增益，g(φ_i)是光滤波器增益；

S2：计算所有用户的信道增益平均值，统计用户信道增益大于信道增益平均值的用户数目，记为K，执行动态用户分组策略，得到K个NOMA用户组；

S3：根据所得的K个NOMA用户组，依次对K个NOMA用户组执行能效最优的功率分配策略，获得K个NOMA用户组中各个用户的最优发射功率，并分别计算K个NOMA用户组的能效，然后将各个NOMA用户组的能效累加，获得系统的能效。

2.如权利要求1所述的一种室内VLC网络的联合用户分组和功率分配方法，其特征在于：所述S2具体方法为：

S201：根据公式计算所有用户的信道增益平均值h_ave，其中，h_i是第i个用户的信道增益；

S202：统计用户信道增益大于h_ave的用户数目，记为K，并将N个用户分为Q个用户集合，其中，表示对计算结果向上取整；

S203：判断K是否为0，若是，则无法完成用户分组，使用正交多址接入技术，均分地为所有用户分配带宽和功率资源，动态用户分组过程结束，执行步骤S204，若不是，则执行步骤S205；

S204：计算采用正交多址接入技术时的系统能效，计算公式为：

其中，B_ave是给每个用户平均分配的带宽资源，B_V是VLC系统的带宽，P_ave是给每个用户平均分配的功率资源，P是LED灯的发射功率，γ是光电转换效率，γ＝0.53A/W，σ²是信道噪声功率，σ²＝N₀B_ave，N₀是VLC信道噪声功率谱密度，N₀＝1×10^-21；

S205：将N个用户依次放入Q个用户集合中，第1个用户集合中包括序号为1到K的用户，第2个用户集合中包括序号为K+1到2K的用户，依次类推，第Q个用户集合中包括序号为(Q-1)×K+1到N的用户；

S206：若是整数，则每个用户集合中的用户数目为K；若不是整数，则前Q-1个用户集合中的用户数目为K，最后一个用户集合用户数目为N-K×(Q-1)；

S207：依次从Q个用户集合中按序取出一个用户，分为一组，即用户1，K+1，2K+1，L，(Q-1)×K+1为第1组，用户2，K+2，2K+2，L，(Q-1)×K+2为第2组，以此类推，直至K个NOMA用户组分组完成，若第Q个用户集合中的用户数目等于K，则将第Q个用户集合中的用户依次加入K个NOMA用户组，每个NOMA用户组的用户数目为Q个，若第Q个用户集合中的用户数目小于K，则将第Q个用户集合中的N-K×(Q-1)个用户依次加入前N-K×(Q-1)个NOMA用户组中，前N-K×(Q-1)个NOMA用户组的用户数目为Q，后Q×K-N个NOMA用户组不包含第Q个用户集合中的用户，其用户数目为Q-1。

3.如权利要求1所述的一种室内VLC网络的联合用户分组和功率分配方法，其特征在于：所述S3具体方法为：

S301：将系统的能效优化问题拆分成K个NOMA用户组的能效累加和的优化问题，依次选取一个NOMA用户组，记为k，k∈{1,2,L,K}，其优化问题表示为：

其中，m是第k个NOMA用户组的用户数目，R_i是第i个用户的可达速率，P_i是第i个用户的发射功率，P_C'是一个NOMA用户组消耗的电路功率，P_S是一个NOMA用户组的最大发射功率，R_min是第i个用户的最小请求速率，P_tol是接收端使用连续干扰消除技术解调时所需的最小功率差；

S302：将分数形式的能效优化问题转换为减法形式的等效凸优化问题，可表示为：

其中，η_k是第k个NOMA用户组的初始能效值；

S303：针对上述的凸优化问题，构建拉格朗日函数，把原来的带约束条件的原函数转换为不带约束条件的拉格朗日函数，可表示为:

其中，λ，μ_i，ψ_i是拉格朗日乘子，λ＞0，μ_i＞0，ψ_i＞0；

S304：构建拉格朗日对偶问题，可表示为：

s.t.λ＞0,μ_i＞0,ψ_i＞0

其中，是拉格朗日函数的对偶函数；

S305：求解拉格朗日对偶问题的最优解，即原问题的最优解，获得最优的用户发射功率P_i；

S306：依据得到的用户发射功率，计算第k个NOMA用户组的能效，公式如下：

其中，R_i是用户的可达速率，计算公式如下：

其中，B是分配给该NOMA用户组的带宽资源，

S307：重复执行S301至S306的操作，依次计算各个NOMA用户组的能效，然后叠加得到系统的能效，系统能效的计算公式为：

其中，η_k^*是第k个NOMA用户组的最优能效值。