面向6G基于HDMA的高速大容量可見光通信系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化

余禮蘇 劉超良 錢佳家 王玉皞，2 王正海

1南昌大學(xué)信息工程學(xué)院 江西省南昌市 330031

2上饒師范學(xué)院 江西省上饒市 334001

0 引言

繼第五代移動通信（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）技術(shù)研發(fā)出來并投入應(yīng)用之后，人們又將研究目光聚焦到第六代移動通信（6th Generation Mobile Communication Technology，6G）技術(shù)上，而下一代的6G技術(shù)有望采用太赫茲、可見光通信（Visible Light Communication，VLC）等更高頻段的通信資源?；旌嫌蚨嘀方尤耄℉ybrid Domain Multiple Access，HDMA）是一種面向未來大規(guī)模接入網(wǎng)絡(luò)場景的新技術(shù)，其基于功率域的非正交多址接入（Power Domain Non-Orthogonal Multiple Access，PD-NOMA）、稀疏碼多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）、智能超表面（Reconfigurable Intelligence Surface，RIS）等技術(shù)，是一種利用功率域、碼域、頻域、空域等多域混合信號進行非正交傳輸?shù)募夹g(shù)?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)的優(yōu)勢在于其安全性高、保密性好、抗電磁干擾能力強，集通信與照明功能于一體，無電磁污染［1］。NOMA技術(shù)的基本思想是在發(fā)送端對信號采用非正交發(fā)送，主動引入干擾信息，在接收端通過串行干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC）或者消息傳遞算法（Message Passing Algorithm，MPA）技術(shù)使接收機實現(xiàn)正確解碼，使用NOMA技術(shù)可以很好地提高頻譜利用率和通信容量［2］。RIS則是一種全新的革命性技術(shù)，它可以通過在平面上集成大量低成本的無源反射元件，智能地重新配置電磁波傳播環(huán)境，從而顯著提高現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的性能［3-5］。

目前應(yīng)用于可見光通信上的NOMA技術(shù)雖然有將功率域的PD-NOMA技術(shù)和碼域的SCMA技術(shù)結(jié)合以此來提高系統(tǒng)的通信容量［6-10］，但都沒有將功率域非正交多址技術(shù)和碼域的非正交多址技術(shù)以及RIS技術(shù)融合應(yīng)用，更沒有充分利用現(xiàn)有的頻譜資源，使得通信容量并不能夠滿足未來大規(guī)模接入通信的需求。為此，本文構(gòu)建了基于HDMA的高速大容量可見光通信系統(tǒng)模型，對系統(tǒng)的各個模塊進行了分析研究，提出了系統(tǒng)優(yōu)化模型，進一步提高了通信速率和頻譜利用率。

1 VLC 大規(guī)模連接發(fā)展需求

隨著高速通信業(yè)務(wù)在各行各業(yè)的應(yīng)用，6G和未來的移動通信網(wǎng)絡(luò)也迎來了諸多挑戰(zhàn)，頻譜資源匱乏是迫切需要面對的核心挑戰(zhàn)之一；另外，用戶終端對數(shù)據(jù)流量的主要需求已從室外環(huán)境集中到室內(nèi)環(huán)境。因此，6G和未來的移動通信網(wǎng)絡(luò)需要同時滿足高頻譜效率、高容量、高密度、高安全、綠色節(jié)能通信以及超大規(guī)模連接等多種要求。而可見光通信技術(shù)作為可以同時滿足這些要求的有效候選技術(shù)之一，能提供高速通信并兼顧照明服務(wù)，因而越來越受到學(xué)術(shù)界以及產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。

而將非正交多址接入技術(shù)適配于可見光通信可以顯著提高通信系統(tǒng)的頻譜效率和多用戶連接能力，滿足大規(guī)模通信需求。非正交多址接入通過將多個用戶的信號疊加在同一時頻資源內(nèi)傳輸，在提升頻譜效率、能量效率，增加網(wǎng)絡(luò)用戶連接數(shù)等方面具有潛在優(yōu)勢；一方面它可以進一步發(fā)揮可見光通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，另一方面還可以為實現(xiàn)高頻譜效率和大規(guī)模連接的關(guān)鍵性能指標提供機制保障。并且對于密集型的室內(nèi)光無線通信場景，非正交多址接入機制可以提供用戶分組式管理，降低通信單元間的干擾。與正交多址接入不同，非正交多址接入先在功率域或碼域?qū)⒍鄠€用戶的信號進行區(qū)分然后疊加形成待傳輸?shù)恼{(diào)制信號，從而將多用戶信息傳輸在同一時頻資源內(nèi)。對應(yīng)地，接收端采用連續(xù)干擾消除等技術(shù)從復(fù)合接收信號中連續(xù)解碼每個用戶所需的信號。由此可見，非正交多址接入技術(shù)可以提高頻譜效率，提供大規(guī)模連接服務(wù)。同時，它還可以提供低延遲服務(wù)方法用于保證室內(nèi)多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）NOMA-VLC系統(tǒng)中功率分配的效率和低復(fù)雜度，同時可以結(jié)合現(xiàn)有的RIS技術(shù)，提高可見光通信系統(tǒng)中多用戶的可達總速率。

然而，不可忽略的是，面對未來6G愿景中高密度、高安全、超大規(guī)模連接、節(jié)能通信等新型應(yīng)用場景及需求，可見光通信系統(tǒng)在傳輸機制、多光源資源分配、大規(guī)模接入以及通信組網(wǎng)等方面都需要進一步地研究并完善。

2 系統(tǒng)模型

為了滿足未來大規(guī)模接入需求，需要在系統(tǒng)級層面構(gòu)建更加多樣的多址接入方案。因此本文針對以上目標構(gòu)建了在功率域、碼域和空域?qū)用娴囊环N全新的可見光通信系統(tǒng)。如圖1所示，系統(tǒng)包括發(fā)送端、接收端、布設(shè)于通信區(qū)域的多基色LED（Light Emitting Diode，LED）燈組以及布設(shè)于通信區(qū)域墻壁或燈具上的智能超表面。

圖1 系統(tǒng)模型圖

2.1 信號發(fā)射端

如圖2 所示為系統(tǒng)信號發(fā)送端原理框圖，在發(fā)射端，首先對待發(fā)送的比特信號流進行編碼映射以獲取對應(yīng)的碼字信號。

圖2 系統(tǒng)發(fā)射端原理框圖

考慮實際情況，獲得的信號流一般包括多個用戶發(fā)送的信號流；采用SCMA技術(shù)對信號流進行編碼映射，通過稀疏碼編碼映射可以在有限的頻譜資源中連接更多的用戶來滿足6G大規(guī)模連接的需求。

具體而言，對待發(fā)送的比特信號流進行編碼映射以獲取對應(yīng)的碼字信號，根據(jù)發(fā)光二極管LED燈組的數(shù)量以及單個碼本承載用戶數(shù)對所述用戶進行群劃分；其中，將發(fā)送端的用戶分為L個用戶大群，其中L代表LED燈組的數(shù)量，有多少個LED燈組就有多少個用戶大群。在每一個用戶大群中采用SCMA進行編碼映射，另外，把一個SCMA碼本所能承載的用戶數(shù)J作為一個小群劃分。

每個碼本對應(yīng)的編碼映射過程，即一個SCMA用戶小群當中每個用戶的編碼映射過程為：Xj=其中，Cj表示K×M的矩陣，Cj下標j表示用戶j的碼本，x(j，i)表示用戶j待發(fā)送的一個M進制的數(shù)字信號，整個Xj表示選擇用戶j的碼本的第x(j，i)+1列作為用戶j的第i個發(fā)送碼字，J個用戶疊加的碼字為s=

為了進一步地提升可見光通信系統(tǒng)的通信容量，根據(jù)預(yù)設(shè)功率復(fù)用級數(shù)對每個LED燈組進行功率分配；具體的分配過程為其中，整個單基色發(fā)射信號的總功率歸一化為1，第w個復(fù)用群分配的功率為PW，預(yù)設(shè)每個LED燈組中功率復(fù)用級數(shù)為W。

假定預(yù)設(shè)功率復(fù)用級數(shù)為W，也就是在每個基色上有W個功率復(fù)用群，所以每個基色上所能承載的用戶數(shù)為J×W，整個下行鏈路所能承載的用戶數(shù)為L×J×W。

為了更進一步地使單基色LED 的通信容量達到最大，在進行功率分配時，對功率分配比進行優(yōu)化設(shè)計，具體如下：

獲取功率分配比的界，并根據(jù)功率分配比的界獲取使編碼映射形成的星座圖中星座點之間歐式距離（歐式距離指的是兩星座點之間的直線距離）最大化，即最大歐式距離對應(yīng)的目標功率分配比；

根據(jù)預(yù)設(shè)功率復(fù)用級數(shù)以及目標功率分配比對所述每個碼本進行功率分配。經(jīng)功率復(fù)用后，在一個基色上各個用戶疊加的發(fā)送信號表達式為

式中：

W表示共有W個功率復(fù)用群，J表示每個SCMA用戶小群中的用戶數(shù)；PW，j表示給第w個用戶群中第j個用戶分配的信號功率；XW，j表示第w個用戶群中第j個用戶發(fā)送的碼字信號；表示對角矩陣，對角線上的元素為

接下來對疊加的碼字信號進行調(diào)制，并通過調(diào)制后的碼字信號驅(qū)動布設(shè)于通信區(qū)域的多基色LED發(fā)光，以得到搭載有信息的光信號。

為了進行信號的高速傳輸同時減少信號間的干擾，對經(jīng)SCMA編碼映射的碼字信號進行調(diào)制，采用非對稱限幅光正交頻分復(fù)用技術(shù)（Asymmetrically-clipped Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，ACO-OFDM）調(diào)制的調(diào)制方法對碼字信號進行調(diào)制。根據(jù)碼本的維度值將碼字信號分為多路碼字子信號。

經(jīng)過功率復(fù)用的SCMA疊加后的碼字信號的維度為K，對這K維信號分別進行ACO-OFDM 調(diào)制，具體的，將K 維碼字分為K 路的子信號分別進行ACO-OFDM 調(diào)制。

進行的ACO-OFDM調(diào)制過程如圖3所示，對碼字信號依次進行串并轉(zhuǎn)換、厄米特對稱變換、快速傅里葉逆變換、并串轉(zhuǎn)換、非對稱限幅處理以及數(shù)模轉(zhuǎn)換以得到在時間上連續(xù)的連續(xù)模擬信號，并根據(jù)模擬信號驅(qū)動布設(shè)于通信區(qū)域的多基色LED發(fā)光。

圖3 SCMA-ACO-OFDM調(diào)制原理

每一路子信號的調(diào)制過程為先對單路的串行信號進行串并轉(zhuǎn)換，同時為了將SCMA的復(fù)數(shù)碼字信號轉(zhuǎn)為能夠便于在LED上傳輸?shù)恼龑嵵敌盘?，需要對轉(zhuǎn)換的并行信號進行厄米特對稱變換，再對進行了厄米特對稱變換的信號進行快速傅里葉逆變換，將逆變換后的信號進行并串轉(zhuǎn)換；為了防止經(jīng)過OFDM調(diào)制后出現(xiàn)限幅噪聲這里需要對轉(zhuǎn)換的串行信號進行非對稱限幅處理，將處理后的信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換使之轉(zhuǎn)為在時間上連續(xù)的連續(xù)模擬信號，然后將此模擬信號驅(qū)動單個LED燈組將信號發(fā)送出去，LED燈組內(nèi)的LED基色數(shù)量對應(yīng)SCMA疊加的碼字信號的維度值，每個維度對應(yīng)一種基色的LED燈。將K種基色的LED燈發(fā)出的光信號進行疊加就合成了單基色上承載的疊加SCMA碼字信號。

經(jīng)過ACO-OFDM調(diào)制后，使原本是復(fù)數(shù)的碼字信號轉(zhuǎn)換成了便于在LED上傳輸正實值信號。每一種基色經(jīng)過ACO-OFDM調(diào)制后的正實值信號驅(qū)動各自基色的LED燈發(fā)光，從而將待發(fā)送信號加載到了光波上，各個基色的信號光進行疊加，產(chǎn)生的信號為

式中：l表示第l種單基色LED，表示第l個LED燈組上的信號經(jīng)過ACO-OFDM調(diào)制后的發(fā)送信號。

2.2 LoS信道和NLoS信道

可見光信道包括直射鏈路以及經(jīng)過智能超表面反射形成的非直射鏈路。其中，LED燈發(fā)出的搭載有發(fā)送信息的光信號經(jīng)過可見光信道進行傳輸?shù)竭_對應(yīng)的光電探測器（Photo Detector，PD）有兩種傳播鏈路，一種是直射（Line of Sight，LoS） 鏈路，一種是非直射（Non-Line of Sight，NLoS）鏈路；本文中NLoS鏈路由智能超表面反射形成。

另外，為了進一步地提升可見光信號傳輸?shù)哪芰啃剩诒疚闹?，需要對非直射鏈路的信道增益進行優(yōu)化。

其中，直射鏈路的信道增益為

式中：

A表示光電探測器的接收面積，m表示朗伯體輻射階數(shù)，dr，l，l表示第l個LED燈組的信號發(fā)送端到第r個PD接收端的直射距離，θ和φ分別表示LED的輻射角和LED到接收器的入射角，gof表示光學(xué)濾波器增益，f(φ)表示聚光透鏡的增益。

所述非直射鏈路的信道增益為

式中：

δ表示智能超表面的反射系數(shù)，dn，l和dr，n分別表示第l個LED到第n個智能超表面單元的距離，第n個智能超表面單元到第r個接收端的距離。

2.3 信號接收端

如圖4所示，將接收到的光信號經(jīng)濾光片處理后得到不同基色LED 的調(diào)制信號；光信號經(jīng)過LoS 徑和NLoS徑傳輸后，各個基色的光信號經(jīng)過可見光信道傳輸后變成了混疊的光信號，相當于進行了波分復(fù)用，接下來需要解波分復(fù)用，將混疊的信號通過各個基色的濾光片，得到不同基色下的功率復(fù)用ACO-OFDM調(diào)制信號。

圖4 系統(tǒng)接收端原理框圖

經(jīng)過濾光片濾光后，最終，單個接收器r接收到的信號為

其中，第一項和第二項表示接收到的有用的信號，第三項表示組間干擾，ρr表示光電探測器的響應(yīng)度，gn，l表示反射控制單元，gn，l只進行0-1二值變化，當gn，l= 1時，表示第n塊智能反射單元為第l個LED燈進行通信輔助服務(wù)，gn，l= 0表示不服務(wù)；同時gn，l滿足以下約束條件

式中：

N表示總的智能超表面反射單元數(shù)，上面約束條件的意義是每個RIS單元塊最多只能為一個LED燈組進行通信輔助服務(wù)。

由于SCMA復(fù)碼字信號的維度是K和每個LED燈組中的單基色LED的數(shù)量一致，在LED燈組上進行SCMA用戶群功率復(fù)用發(fā)送信號，此處選擇K個單基色LED作為SCMA用戶群當中的K個正交資源塊，將單基色信號光經(jīng)過K個濾波片進行濾波，從而得到K個并行的調(diào)制子信號。

如圖5所示，將經(jīng)過單基色的濾波片濾波后的K路信號分別進行ACO-OFDM解調(diào)，每一路的解調(diào)過程都是一樣的，先對單路信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到離散的信號，再進行串并轉(zhuǎn)換，將原始接收的串行信號轉(zhuǎn)為并行信號，然后進行快速傅立葉正變換，再經(jīng)過并串變換就得到了原始SCMA疊加的復(fù)數(shù)解碼信號。

圖5 SCMA-ACO-OFDM解調(diào)原理

據(jù)功率分配比按預(yù)設(shè)順序利用預(yù)設(shè)算法對所述復(fù)數(shù)解碼信號進行依次聯(lián)合解碼。如圖6所示，預(yù)設(shè)算法為SIC+MPA算法。首先我們先對發(fā)送信號功率最大的用戶群1的接收信號進行檢測，這里采用MPA檢測。在對用戶群1進行檢測時，用戶群1中第j個用戶受到的干擾有用戶群1內(nèi)部用戶的干擾、其他用戶群的干擾以及各種背景噪聲的干擾，這里我們將其他用戶群的信號全部當作噪聲處理。

圖6 MPA+SIC聯(lián)合解碼算法

對用戶群1信號進行解碼后，然后減去已檢測用戶群1信號的再次經(jīng)過碼本映射的碼字信號，再通過MPA檢測算法檢測接下來發(fā)送信號功率最大用戶群當中各個用戶的發(fā)送信號，按照此順序依次檢測各個SCMA用戶群當中每個用戶的信號，直至將每個用戶的信號都解碼出來。

3 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

為了使接收端接收到更多的發(fā)射信號，從而使通信容量達到最大，同時也可以提高通信質(zhì)量，降低誤碼率，需對RIS的反射單元進行優(yōu)化配置，具體過程如下所示：

根據(jù)接收器所能達到的瞬時通信速率獲取LED能夠達到的總通信速率，并建立優(yōu)化目標及約束條件以得到智能超表面的配置值，優(yōu)化目標和約束條件如下所示

式中：

N表示總的智能超表面反射單元數(shù)；gn，l表示反射控制單元，gn，l只進行0-1二值變化，當gn，l=1時，表示第n塊智能反射單元為第l個LED燈進行通信輔助服務(wù)，gn,l= 0表示不進行輔助通信服務(wù)，Rmin，表示每個用戶需滿足的最低通信速率。

第r個接收器接收第l個LED燈組上的第w個用戶群所能達到的瞬時通信速率為

式中：

B表示信道的調(diào)制帶寬，e表示自然對數(shù)的底數(shù)，λ表示每個SCMA用戶群中用戶間干擾因子，J表示每個SCMA用戶群中的用戶數(shù)，yr，l，u為第l個LED燈上的第w個用戶群的信干噪比（SINR），yr，l，w的具體形式如下所示

式中：

分母第二部分表示來自其他LED燈組上用戶群的干擾，分母第三部分表示將第l個LED上LOS信道增益比第u個用戶群LOS信道增益差的其他用戶群的干擾，pr表示光電探測器的響應(yīng)度；表示接收到的噪聲方差；Pl，w表示第l個LED燈組中給第w個SCMA用戶小群分配的發(fā)射功率。

L個LED燈組能夠達到的總的通信速率為

在系統(tǒng)的優(yōu)化過程中，需要對系統(tǒng)中每個燈組中的用戶小群的功率分配進行優(yōu)化，同時需要優(yōu)化配置RIS反射單元，這是一個復(fù)雜的多變量非凸問題，為了解決這一問題，需要將非凸問題轉(zhuǎn)為凸問題，然后采用連續(xù)凸逼近（Successive Convex Approximation，SCA）算法求得優(yōu)化結(jié)果。

4 結(jié)束語

為加快6G技術(shù)的研究進程使其在產(chǎn)業(yè)界中早日得到應(yīng)用，本文在系統(tǒng)層面構(gòu)建了基于HDMA技術(shù)的可見光通信系統(tǒng)模型。通過采用多基色的LED 燈組進行通信，利用HDMA技術(shù)使得在有限的頻譜資源中連接更多的用戶，提升了可見光通信系統(tǒng)的頻譜利用率和通信容量，同時通過對系統(tǒng)功率及RIS反射單元進行優(yōu)化設(shè)計來進一步提升通信容量。未來通信業(yè)務(wù)類型及用戶都將向更加多元化的方向發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)性能的要求會越來越高。考慮到低頻資源已經(jīng)逐漸被占用，可見光通信作為高頻通信方式將成為6G的主要探究方向，其主要原因是它能夠同時滿足綠色低碳、安全可信的現(xiàn)代化需求。為了滿足高速大容量、高頻譜效率的通信需求，本文提出的基于混合域多址接入技術(shù)的可見光通信將有望成為推動6G 研發(fā)的核心技術(shù)之一，成為支撐實現(xiàn)“雙碳”目標的重要保障力量。