面向6G基于HDMA的高速大容量可见光通信系统构建与优化

余礼苏 刘超良 钱佳家 王玉皞，2 王正海

1南昌大学信息工程学院 江西省南昌市 330031

2上饶师范学院 江西省上饶市 334001

0 引言

继第五代移动通信（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）技术研发出来并投入应用之后，人们又将研究目光聚焦到第六代移动通信（6th Generation Mobile Communication Technology，6G）技术上，而下一代的6G技术有望采用太赫兹、可见光通信（Visible Light Communication，VLC）等更高频段的通信资源。混合域多址接入（Hybrid Domain Multiple Access，HDMA）是一种面向未来大规模接入网络场景的新技术，其基于功率域的非正交多址接入（Power Domain Non-Orthogonal Multiple Access，PD-NOMA）、稀疏码多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）、智能超表面（Reconfigurable Intelligence Surface，RIS）等技术，是一种利用功率域、码域、频域、空域等多域混合信号进行非正交传输的技术。可见光通信技术的优势在于其安全性高、保密性好、抗电磁干扰能力强，集通信与照明功能于一体，无电磁污染［1］。NOMA技术的基本思想是在发送端对信号采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）或者消息传递算法（Message Passing Algorithm，MPA）技术使接收机实现正确解码，使用NOMA技术可以很好地提高频谱利用率和通信容量［2］。RIS则是一种全新的革命性技术，它可以通过在平面上集成大量低成本的无源反射元件，智能地重新配置电磁波传播环境，从而显著提高现代通信网络的性能［3-5］。

目前应用于可见光通信上的NOMA技术虽然有将功率域的PD-NOMA技术和码域的SCMA技术结合以此来提高系统的通信容量［6-10］，但都没有将功率域非正交多址技术和码域的非正交多址技术以及RIS技术融合应用，更没有充分利用现有的频谱资源，使得通信容量并不能够满足未来大规模接入通信的需求。为此，本文构建了基于HDMA的高速大容量可见光通信系统模型，对系统的各个模块进行了分析研究，提出了系统优化模型，进一步提高了通信速率和频谱利用率。

1 VLC 大规模连接发展需求

随着高速通信业务在各行各业的应用，6G和未来的移动通信网络也迎来了诸多挑战，频谱资源匮乏是迫切需要面对的核心挑战之一；另外，用户终端对数据流量的主要需求已从室外环境集中到室内环境。因此，6G和未来的移动通信网络需要同时满足高频谱效率、高容量、高密度、高安全、绿色节能通信以及超大规模连接等多种要求。而可见光通信技术作为可以同时满足这些要求的有效候选技术之一，能提供高速通信并兼顾照明服务，因而越来越受到学术界以及产业界的高度关注。

而将非正交多址接入技术适配于可见光通信可以显著提高通信系统的频谱效率和多用户连接能力，满足大规模通信需求。非正交多址接入通过将多个用户的信号叠加在同一时频资源内传输，在提升频谱效率、能量效率，增加网络用户连接数等方面具有潜在优势；一方面它可以进一步发挥可见光通信系统的优势，另一方面还可以为实现高频谱效率和大规模连接的关键性能指标提供机制保障。并且对于密集型的室内光无线通信场景，非正交多址接入机制可以提供用户分组式管理，降低通信单元间的干扰。与正交多址接入不同，非正交多址接入先在功率域或码域将多个用户的信号进行区分然后叠加形成待传输的调制信号，从而将多用户信息传输在同一时频资源内。对应地，接收端采用连续干扰消除等技术从复合接收信号中连续解码每个用户所需的信号。由此可见，非正交多址接入技术可以提高频谱效率，提供大规模连接服务。同时，它还可以提供低延迟服务方法用于保证室内多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）NOMA-VLC系统中功率分配的效率和低复杂度，同时可以结合现有的RIS技术，提高可见光通信系统中多用户的可达总速率。

然而，不可忽略的是，面对未来6G愿景中高密度、高安全、超大规模连接、节能通信等新型应用场景及需求，可见光通信系统在传输机制、多光源资源分配、大规模接入以及通信组网等方面都需要进一步地研究并完善。

2 系统模型

为了满足未来大规模接入需求，需要在系统级层面构建更加多样的多址接入方案。因此本文针对以上目标构建了在功率域、码域和空域层面的一种全新的可见光通信系统。如图1所示，系统包括发送端、接收端、布设于通信区域的多基色LED（Light Emitting Diode，LED）灯组以及布设于通信区域墙壁或灯具上的智能超表面。

图1 系统模型图

2.1 信号发射端

如图2 所示为系统信号发送端原理框图，在发射端，首先对待发送的比特信号流进行编码映射以获取对应的码字信号。

图2 系统发射端原理框图

考虑实际情况，获得的信号流一般包括多个用户发送的信号流；采用SCMA技术对信号流进行编码映射，通过稀疏码编码映射可以在有限的频谱资源中连接更多的用户来满足6G大规模连接的需求。

具体而言，对待发送的比特信号流进行编码映射以获取对应的码字信号，根据发光二极管LED灯组的数量以及单个码本承载用户数对所述用户进行群划分；其中，将发送端的用户分为L个用户大群，其中L代表LED灯组的数量，有多少个LED灯组就有多少个用户大群。在每一个用户大群中采用SCMA进行编码映射，另外，把一个SCMA码本所能承载的用户数J作为一个小群划分。

每个码本对应的编码映射过程，即一个SCMA用户小群当中每个用户的编码映射过程为：Xj=其中，Cj表示K×M的矩阵，Cj下标j表示用户j的码本，x(j，i)表示用户j待发送的一个M进制的数字信号，整个Xj表示选择用户j的码本的第x(j，i)+1列作为用户j的第i个发送码字，J个用户叠加的码字为s=

为了进一步地提升可见光通信系统的通信容量，根据预设功率复用级数对每个LED灯组进行功率分配；具体的分配过程为其中，整个单基色发射信号的总功率归一化为1，第w个复用群分配的功率为PW，预设每个LED灯组中功率复用级数为W。

假定预设功率复用级数为W，也就是在每个基色上有W个功率复用群，所以每个基色上所能承载的用户数为J×W，整个下行链路所能承载的用户数为L×J×W。

为了更进一步地使单基色LED 的通信容量达到最大，在进行功率分配时，对功率分配比进行优化设计，具体如下：

获取功率分配比的界，并根据功率分配比的界获取使编码映射形成的星座图中星座点之间欧式距离（欧式距离指的是两星座点之间的直线距离）最大化，即最大欧式距离对应的目标功率分配比；

根据预设功率复用级数以及目标功率分配比对所述每个码本进行功率分配。经功率复用后，在一个基色上各个用户叠加的发送信号表达式为

式中：

W表示共有W个功率复用群，J表示每个SCMA用户小群中的用户数；PW，j表示给第w个用户群中第j个用户分配的信号功率；XW，j表示第w个用户群中第j个用户发送的码字信号；表示对角矩阵，对角线上的元素为

接下来对叠加的码字信号进行调制，并通过调制后的码字信号驱动布设于通信区域的多基色LED发光，以得到搭载有信息的光信号。

为了进行信号的高速传输同时减少信号间的干扰，对经SCMA编码映射的码字信号进行调制，采用非对称限幅光正交频分复用技术（Asymmetrically-clipped Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，ACO-OFDM）调制的调制方法对码字信号进行调制。根据码本的维度值将码字信号分为多路码字子信号。

经过功率复用的SCMA叠加后的码字信号的维度为K，对这K维信号分别进行ACO-OFDM 调制，具体的，将K 维码字分为K 路的子信号分别进行ACO-OFDM 调制。

进行的ACO-OFDM调制过程如图3所示，对码字信号依次进行串并转换、厄米特对称变换、快速傅里叶逆变换、并串转换、非对称限幅处理以及数模转换以得到在时间上连续的连续模拟信号，并根据模拟信号驱动布设于通信区域的多基色LED发光。

图3 SCMA-ACO-OFDM调制原理

每一路子信号的调制过程为先对单路的串行信号进行串并转换，同时为了将SCMA的复数码字信号转为能够便于在LED上传输的正实值信号，需要对转换的并行信号进行厄米特对称变换，再对进行了厄米特对称变换的信号进行快速傅里叶逆变换，将逆变换后的信号进行并串转换；为了防止经过OFDM调制后出现限幅噪声这里需要对转换的串行信号进行非对称限幅处理，将处理后的信号经过数模转换使之转为在时间上连续的连续模拟信号，然后将此模拟信号驱动单个LED灯组将信号发送出去，LED灯组内的LED基色数量对应SCMA叠加的码字信号的维度值，每个维度对应一种基色的LED灯。将K种基色的LED灯发出的光信号进行叠加就合成了单基色上承载的叠加SCMA码字信号。

经过ACO-OFDM调制后，使原本是复数的码字信号转换成了便于在LED上传输正实值信号。每一种基色经过ACO-OFDM调制后的正实值信号驱动各自基色的LED灯发光，从而将待发送信号加载到了光波上，各个基色的信号光进行叠加，产生的信号为

式中：l表示第l种单基色LED，表示第l个LED灯组上的信号经过ACO-OFDM调制后的发送信号。

2.2 LoS信道和NLoS信道

可见光信道包括直射链路以及经过智能超表面反射形成的非直射链路。其中，LED灯发出的搭载有发送信息的光信号经过可见光信道进行传输到达对应的光电探测器（Photo Detector，PD）有两种传播链路，一种是直射（Line of Sight，LoS） 链路，一种是非直射（Non-Line of Sight，NLoS）链路；本文中NLoS链路由智能超表面反射形成。

另外，为了进一步地提升可见光信号传输的能量效率，在本文中，需要对非直射链路的信道增益进行优化。

其中，直射链路的信道增益为

式中：

A表示光电探测器的接收面积，m表示朗伯体辐射阶数，dr，l，l表示第l个LED灯组的信号发送端到第r个PD接收端的直射距离，θ和φ分别表示LED的辐射角和LED到接收器的入射角，gof表示光学滤波器增益，f(φ)表示聚光透镜的增益。

所述非直射链路的信道增益为

式中：

δ表示智能超表面的反射系数，dn，l和dr，n分别表示第l个LED到第n个智能超表面单元的距离，第n个智能超表面单元到第r个接收端的距离。

2.3 信号接收端

如图4所示，将接收到的光信号经滤光片处理后得到不同基色LED 的调制信号；光信号经过LoS 径和NLoS径传输后，各个基色的光信号经过可见光信道传输后变成了混叠的光信号，相当于进行了波分复用，接下来需要解波分复用，将混叠的信号通过各个基色的滤光片，得到不同基色下的功率复用ACO-OFDM调制信号。

图4 系统接收端原理框图

经过滤光片滤光后，最终，单个接收器r接收到的信号为

其中，第一项和第二项表示接收到的有用的信号，第三项表示组间干扰，ρr表示光电探测器的响应度，gn，l表示反射控制单元，gn，l只进行0-1二值变化，当gn，l= 1时，表示第n块智能反射单元为第l个LED灯进行通信辅助服务，gn，l= 0表示不服务；同时gn，l满足以下约束条件

式中：

N表示总的智能超表面反射单元数，上面约束条件的意义是每个RIS单元块最多只能为一个LED灯组进行通信辅助服务。

由于SCMA复码字信号的维度是K和每个LED灯组中的单基色LED的数量一致，在LED灯组上进行SCMA用户群功率复用发送信号，此处选择K个单基色LED作为SCMA用户群当中的K个正交资源块，将单基色信号光经过K个滤波片进行滤波，从而得到K个并行的调制子信号。

如图5所示，将经过单基色的滤波片滤波后的K路信号分别进行ACO-OFDM解调，每一路的解调过程都是一样的，先对单路信号进行模数转换，得到离散的信号，再进行串并转换，将原始接收的串行信号转为并行信号，然后进行快速傅立叶正变换，再经过并串变换就得到了原始SCMA叠加的复数解码信号。

图5 SCMA-ACO-OFDM解调原理

据功率分配比按预设顺序利用预设算法对所述复数解码信号进行依次联合解码。如图6所示，预设算法为SIC+MPA算法。首先我们先对发送信号功率最大的用户群1的接收信号进行检测，这里采用MPA检测。在对用户群1进行检测时，用户群1中第j个用户受到的干扰有用户群1内部用户的干扰、其他用户群的干扰以及各种背景噪声的干扰，这里我们将其他用户群的信号全部当作噪声处理。

图6 MPA+SIC联合解码算法

对用户群1信号进行解码后，然后减去已检测用户群1信号的再次经过码本映射的码字信号，再通过MPA检测算法检测接下来发送信号功率最大用户群当中各个用户的发送信号，按照此顺序依次检测各个SCMA用户群当中每个用户的信号，直至将每个用户的信号都解码出来。

3 系统优化设计

为了使接收端接收到更多的发射信号，从而使通信容量达到最大，同时也可以提高通信质量，降低误码率，需对RIS的反射单元进行优化配置，具体过程如下所示：

根据接收器所能达到的瞬时通信速率获取LED能够达到的总通信速率，并建立优化目标及约束条件以得到智能超表面的配置值，优化目标和约束条件如下所示

式中：

N表示总的智能超表面反射单元数；gn，l表示反射控制单元，gn，l只进行0-1二值变化，当gn，l=1时，表示第n块智能反射单元为第l个LED灯进行通信辅助服务，gn,l= 0表示不进行辅助通信服务，Rmin，表示每个用户需满足的最低通信速率。

第r个接收器接收第l个LED灯组上的第w个用户群所能达到的瞬时通信速率为

式中：

B表示信道的调制带宽，e表示自然对数的底数，λ表示每个SCMA用户群中用户间干扰因子，J表示每个SCMA用户群中的用户数，yr，l，u为第l个LED灯上的第w个用户群的信干噪比（SINR），yr，l，w的具体形式如下所示

式中：

分母第二部分表示来自其他LED灯组上用户群的干扰，分母第三部分表示将第l个LED上LOS信道增益比第u个用户群LOS信道增益差的其他用户群的干扰，pr表示光电探测器的响应度；表示接收到的噪声方差；Pl，w表示第l个LED灯组中给第w个SCMA用户小群分配的发射功率。

L个LED灯组能够达到的总的通信速率为

在系统的优化过程中，需要对系统中每个灯组中的用户小群的功率分配进行优化，同时需要优化配置RIS反射单元，这是一个复杂的多变量非凸问题，为了解决这一问题，需要将非凸问题转为凸问题，然后采用连续凸逼近（Successive Convex Approximation，SCA）算法求得优化结果。

4 结束语

为加快6G技术的研究进程使其在产业界中早日得到应用，本文在系统层面构建了基于HDMA技术的可见光通信系统模型。通过采用多基色的LED 灯组进行通信，利用HDMA技术使得在有限的频谱资源中连接更多的用户，提升了可见光通信系统的频谱利用率和通信容量，同时通过对系统功率及RIS反射单元进行优化设计来进一步提升通信容量。未来通信业务类型及用户都将向更加多元化的方向发展，对网络性能的要求会越来越高。考虑到低频资源已经逐渐被占用，可见光通信作为高频通信方式将成为6G的主要探究方向，其主要原因是它能够同时满足绿色低碳、安全可信的现代化需求。为了满足高速大容量、高频谱效率的通信需求，本文提出的基于混合域多址接入技术的可见光通信将有望成为推动6G 研发的核心技术之一，成为支撑实现“双碳”目标的重要保障力量。