基于低维查找表的自适应多波段无线光通信方案

本发明属于无线光通信领域，尤其涉及一种基于低维查找表的自适应多波段无线光通信方案。

背景技术：

1、无线光通信是一种利用光波在空间传输数据的通信技术，有效地解决了“最后一公里”通信难题。自21世纪初，该技术已逐步步入商业化应用阶段，其数据传输速度与稳定性得到了大幅提升，并且诸如定位精度和大气层干扰等问题也已得到有效解决。该技术因其高速和可靠的无线连接能力而逐渐被认可，并在多个特定领域得到了广泛应用。无论是am、fm还是卫星/微波，现有的无线电波段资源已基本被分配殆尽，新兴技术如6g必须依赖已有的频段进行技术复用。相比之下，无线光通信主要使用的是尚未广泛开发的红外以及可见光频段，这一点为无线光通信技术的未来发展提供了更多的可能性和空间。

2、为了实现更高的数据速率，ofdm、mimo和多波段传输等多路复用技术被提出用于无线光通信。其中多波段传输在高数据率通信中展现出很大优势。在多波段通信系统中，资源分配是必不可少的一环，有效的资源分配可以最大化频谱的使用效率。这意味着能够在有限的频谱资源内，支持更多的数据传输，从而提高整个系统的吞吐量。其次，自适应的资源分配在很大程度上能增加系统灵活性和可扩展性，系统能够根据当前的网络条件和用户需求动态调整资源分配，以适应不断变化的环境。总之，资源分配策略在多波段通信系统中是确保网络性能和用户满意度的关键技术之一。通过有效管理和分配波段、功率等资源，可以大幅提升通信效率和服务质量。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于低维查找表的自适应多波段无线光通信方案，所采用的技术方案如下：

2、一种基于低维查找表的自适应多波段无线光通信方法，包括以下步骤：

3、步骤1、低维查找表构建：在不同链路状态下估计多波段信道增益向量并构建采样数据矩阵，计算信道增益向量均值并基于主成分分析方法对采样数据矩阵进行特征分析，将多波段划分为估计波段和通信波段，估计波段用于估计多波段信道增益向量在低维特征空间中的坐标，通信波段用于传输信息；在低维特征空间中离线优化通信资源分配方案，建立估计多波段信道增益向量在低维特征空间中坐标的向量表示对应最优通信资源分配方案的查找表；

4、步骤2、自适应通信：将自适应通信过程离散化为一系列连续的时隙，针对每个时隙，随机初始化通信资源分配方案，发送端利用估计波段发送导频序列，接收端利用估计波段接收所述导频序列进行信道估计，根据信道估计结果在查找表选择最优通信资源分配方案进行自适应通信。

5、进一步的，所述步骤1包括：

6、步骤1.1、动态链路采样：发端采用个波段的光源，在种不同链路状态下估计个波段的信道增益向量，记第种链路状态下估计的第个波段信道增益为，,第种链路状态下估计的多波段信道增益向量为,上标表示矩阵的转置，构建采样矩阵,均为自然数；

7、步骤1.2、采样矩阵特征分析：计算多波段信道增益向量均值，对采样矩阵进行主成分分析，提取多波段信道增益向量的个主成分向量，构建正交矩阵，则多波段信道增益向量的近似形式为：

8、（1）

9、其中，为向量在正交矩阵下维空间坐标的向量表示；

10、步骤1.3、低维查找表构建：将个波段划分为通信波段集合与估计波段集合，并假设各通信波段码元速率一致，设定总功率的约束和误码率低于门限值的通信约束，通过优化通信波段索引集合、估计波段索引集合、功率分配以及通信波段调制阶数，其中表示通信波段序号，和分别表示第表示个通信波段上分配的功率和采用的调制阶数，最大化总有效比特率，转化为如下优化问题：

11、（2）

12、式中，minimize运算表示最小化，表示第个通信波段链路增益，表示噪声方差；

13、选取个低维向量组成集合，其中第个元素为，代入式（1）中得到集合，其中第个元素，求解优化问题（2）得到对应的最优通信资源分配方案集合，其中第个元素，分别表示对应的通信波段索引集合、估计波段索引集合、各通信波段功率分配和各通信波段调制阶数；上述计算过程离线进行，将结果存储在查找表中，查找表表示了低维向量集合与最优通信资源分配方案集合中的元素之间的映射关系，且有。

14、进一步的，所述步骤2包括：

15、步骤2.1、将自适应通信过程离散化为一系列连续的时隙时，随机初始化通信波段索引集合、估计波段索引集合、功率分配以及通信波段调制阶数；

16、步骤2.2、在时隙，最优通信资源分配方案为，估计波段集合的信道增益向量估计值表示为：

17、           （3）

18、其中分别为时隙的估计波段选择矩阵、多波段信道增益向量估计值以及的估计值，且：

19、            （4）

20、其中， 表示左逆，利用估计波段接收导频序列进行信道增益估计得到，代入式（4）中得到，将代入式（1）得到多波段信道增益向量估计值，用于时隙的通信判决；

21、步骤2.3、基于步骤1得到的查找表搜索与欧氏距离最小的索引为，表示为：

22、                 （5）

23、式中，agrmin表示函数取最小值时优化变量的参数，表示向量范数，更新下一时隙的最优通信资源分配方案，并将传给发送端进行波段选择和功率控制；

24、步骤2.4、重复步骤2.2～步骤2.3，完成每一时隙的最优通信资源分配方案的查找。

25、本发明的有益效果在于：

26、本发明利用多波段无线光信道之间的低秩性，在同一个时隙内利用少数不适合通信的波段在低维空间中进行信道估计，并能在可接受误差范围内恢复全波段信道信息，避免了多波段无线光通信系统的导频开销过大和信道估计冗余；能以较低的复杂度优化通信资源分配方案，提高多波段无线光通信稳定性和传输效率。

技术特征：

1.一种基于低维查找表的自适应多波段无线光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于低维查找表的自适应多波段无线光通信方法，其特征在于，所述步骤1包括：

3.根据权利要求1所述的基于低维查找表的自适应多波段无线光通信方法，其特征在于，所述步骤2包括：

技术总结本发明公开了一种基于低维查找表的自适应多波段无线光通信方法，包括以下步骤：在不同链路状态下估计多波段信道增益向量并构建采样数据矩阵，计算信道增益向量均值并基于主成分分析方法对采样数据矩阵进行特征分析；在低维特征空间中离线优化通信资源分配方案，建立估计多波段信道增益向量在低维特征空间中坐标的向量表示对应最优通信资源分配方案的查找表；将自适应通信过程离散化为一系列连续的时隙，针对每个时隙，接收端利用估计波段接收所述导频序列进行信道估计，根据信道估计结果在查找表选择最优通信资源分配方案进行自适应通信。本发明提高了多波段无线光通信稳定性和传输效率。技术研发人员：黄咏峥,黄诺,刘伟杰,龚晨,李上宾,徐正元受保护的技术使用者：中国科学技术大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23