面向6G基于HDMA的高速大容量可見光通信系統構建與優化

余禮蘇 劉超良 錢佳家 王玉皞，2 王正海

1南昌大學信息工程學院 江西省南昌市 330031

2上饒師范學院 江西省上饒市 334001

0 引言

繼第五代移動通信（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）技術研發出來并投入應用之后，人們又將研究目光聚焦到第六代移動通信（6th Generation Mobile Communication Technology，6G）技術上，而下一代的6G技術有望采用太赫茲、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模接入網絡場景的新技術，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，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的技術?？梢姽馔ㄐ偶夹g的優勢在于其安全性高、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技術的基本思想是在發送端對信號采用非正交發送，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）技術使接收機實現正確解碼，使用NOMA技術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，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境，從而顯著提高現代通信網絡的性能［3-5］。

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

1 VLC 大規模連接發展需求

隨著高速通信業務在各行各業的應用，6G和未來的移動通信網絡也迎來了諸多挑戰，頻譜資源匱乏是迫切需要面對的核心挑戰之一；另外，用戶終端對數據流量的主要需求已從室外環境集中到室內環境。因此，6G和未來的移動通信網絡需要同時滿足高頻譜效率、高容量、高密度、高安全、綠色節能通信以及超大規模連接等多種要求。而可見光通信技術作為可以同時滿足這些要求的有效候選技術之一，能提供高速通信并兼顧照明服務，因而越來越受到學術界以及產業界的高度關注。

而將非正交多址接入技術適配于可見光通信可以顯著提高通信系統的頻譜效率和多用戶連接能力，滿足大規模通信需求。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傳輸，在提升頻譜效率、能量效率，增加網絡用戶連接數等方面具有潛在優勢；一方面它可以進一步發揮可見光通信系統的優勢，另一方面還可以為實現高頻譜效率和大規模連接的關鍵性能指標提供機制保障。并且對于密集型的室內光無線通信場景，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將多個用戶的信號進行區分然后疊加形成待傳輸的調制信號，從而將多用戶信息傳輸在同一時頻資源內。對應地，接收端采用連續干擾消除等技術從復合接收信號中連續解碼每個用戶所需的信號。由此可見，非正交多址接入技術可以提高頻譜效率，提供大規模連接服務。同時，它還可以提供低延遲服務方法用于保證室內多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）NOMA-VLC系統中功率分配的效率和低復雜度，同時可以結合現有的RIS技術，提高可見光通信系統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、超大規模連接、節能通信等新型應用場景及需求，可見光通信系統在傳輸機制、多光源資源分配、大規模接入以及通信組網等方面都需要進一步地研究并完善。

2 系統模型

為了滿足未來大規模接入需求，需要在系統級層面構建更加多樣的多址接入方案。因此本文針對以上目標構建了在功率域、碼域和空域層面的一種全新的可見光通信系統。如圖1所示，系統包括發送端、接收端、布設于通信區域的多基色LED（Light Emitting Diode，LED）燈組以及布設于通信區域墻壁或燈具上的智能超表面。

圖1 系統模型圖

2.1 信號發射端

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

圖2 系統發射端原理框圖

考慮實際情況，獲得的信號流一般包括多個用戶發送的信號流；采用SCMA技術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大規模連接的需求。

具體而言，對待發送的比特信號流進行編碼映射以獲取對應的碼字信號，根據發光二極管LED燈組的數量以及單個碼本承載用戶數對所述用戶進行群劃分；其中，將發送端的用戶分為L個用戶大群，其中L代表LED燈組的數量，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J作為一個小群劃分。

每個碼本對應的編碼映射過程，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待發送的一個M進制的數字信號，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的通信容量，根據預設功率復用級數對每個LED燈組進行功率分配；具體的分配過程為其中，整個單基色發射信號的總功率歸一化為1，第w個復用群分配的功率為PW，預設每個LED燈組中功率復用級數為W。

假定預設功率復用級數為W，也就是在每個基色上有W個功率復用群，所以每個基色上所能承載的用戶數為J×W，整個下行鏈路所能承載的用戶數為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化設計，具體如下：

獲取功率分配比的界，并根據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的目標功率分配比；

根據預設功率復用級數以及目標功率分配比對所述每個碼本進行功率分配。經功率復用后，在一個基色上各個用戶疊加的發送信號表達式為

式中：

W表示共有W個功率復用群，J表示每個SCMA用戶小群中的用戶數；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制，并通過調制后的碼字信號驅動布設于通信區域的多基色LED發光，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SCMA編碼映射的碼字信號進行調制，采用非對稱限幅光正交頻分復用技術（Asymmetrically-clipped Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，ACO-OFDM）調制的調制方法對碼字信號進行調制。根據碼本的維度值將碼字信號分為多路碼字子信號。

經過功率復用的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 調制，具體的，將K 維碼字分為K 路的子信號分別進行ACO-OFDM 調制。

進行的ACO-OFDM調制過程如圖3所示，對碼字信號依次進行串并轉換、厄米特對稱變換、快速傅里葉逆變換、并串轉換、非對稱限幅處理以及數模轉換以得到在時間上連續的連續模擬信號，并根據模擬信號驅動布設于通信區域的多基色LED發光。

圖3 SCMA-ACO-OFDM調制原理

每一路子信號的調制過程為先對單路的串行信號進行串并轉換，同時為了將SCMA的復數碼字信號轉為能夠便于在LED上傳輸的正實值信號，需要對轉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換；為了防止經過OFDM調制后出現限幅噪聲這里需要對轉換的串行信號進行非對稱限幅處理，將處理后的信號經過數模轉換使之轉為在時間上連續的連續模擬信號，然后將此模擬信號驅動單個LED燈組將信號發送出去，LED燈組內的LED基色數量對應SCMA疊加的碼字信號的維度值，每個維度對應一種基色的LED燈。將K種基色的LED燈發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。

經過ACO-OFDM調制后，使原本是復數的碼字信號轉換成了便于在LED上傳輸正實值信號。每一種基色經過ACO-OFDM調制后的正實值信號驅動各自基色的LED燈發光，從而將待發送信號加載到了光波上，各個基色的信號光進行疊加，產生的信號為

式中：l表示第l種單基色LED，表示第l個LED燈組上的信號經過ACO-OFDM調制后的發送信號。

2.2 LoS信道和NLoS信道

可見光信道包括直射鏈路以及經過智能超表面反射形成的非直射鏈路。其中，LED燈發出的搭載有發送信息的光信號經過可見光信道進行傳輸到達對應的光電探測器（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的能量效率，在本文中，需要對非直射鏈路的信道增益進行優化。

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，dr，l，l表示第l個LED燈組的信號發送端到第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，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濾光片處理后得到不同基色LED 的調制信號；光信號經過LoS 徑和NLoS徑傳輸后，各個基色的光信號經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用，接下來需要解波分復用，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用ACO-OFDM調制信號。

圖4 系統接收端原理框圖

經過濾光片濾光后，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，gn，l= 0表示不服務；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，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。

由于SCMA復碼字信號的維度是K和每個LED燈組中的單基色LED的數量一致，在LED燈組上進行SCMA用戶群功率復用發送信號，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，將單基色信號光經過K個濾波片進行濾波，從而得到K個并行的調制子信號。

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

圖5 SCMA-ACO-OFDM解調原理

據功率分配比按預設順序利用預設算法對所述復數解碼信號進行依次聯合解碼。如圖6所示，預設算法為SIC+MPA算法。首先我們先對發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信號的再次經過碼本映射的碼字信號，再通過MPA檢測算法檢測接下來發送信號功率最大用戶群當中各個用戶的發送信號，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 系統優化設計

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

根據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，并建立優化目標及約束條件以得到智能超表面的配置值，優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；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，gn,l= 0表示不進行輔助通信服務，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表示信道的調制帶寬，e表示自然對數的底數，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，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用戶小群分配的發射功率。

L個LED燈組能夠達到的總的通信速率為

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

4 結束語

為加快6G技術的研究進程使其在產業界中早日得到應用，本文在系統層面構建了基于HDMA技術的可見光通信系統模型。通過采用多基色的LED 燈組進行通信，利用HDMA技術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的頻譜利用率和通信容量，同時通過對系統功率及RIS反射單元進行優化設計來進一步提升通信容量。未來通信業務類型及用戶都將向更加多元化的方向發展，對網絡性能的要求會越來越高?？紤]到低頻資源已經逐漸被占用，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的可見光通信將有望成為推動6G 研發的核心技術之一，成為支撐實現“雙碳”目標的重要保障力量。