Joint Design of Probabilistic Constellation Shaping and Precoding for Multi-user VLC Systems
作者: Thang K. Nguyen, Thanh V. Pham, Hoang D. Le, Chuyen T. Nguyen, Anh T. Pham
分类: eess.SY
发布日期: 2024-08-06
💡 一句话要点
针对多用户VLC系统，提出概率整形和预编码联合设计以提升系统和速率
🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: 可见光通信 概率星座整形 预编码 多用户系统 和速率优化
📋 核心要点
- 多用户VLC系统在信号幅度约束下，传统均匀信令设计未能充分优化系统和速率。
- 通过联合优化概率星座整形和预编码，自适应调整符号传输概率，提升系统性能。
- 萤火虫算法虽能优化非凸问题，但复杂度高；提出低复杂度的ZF预编码交替优化方案，并验证了其有效性。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种概率星座整形（PCS）和预编码的联合设计方案，旨在提高受信号幅度约束的多用户可见光通信（VLC）广播信道的总速率性能。在该设计中，联合优化每个用户的双极性M阶脉冲幅度调制（M-PAM）符号的传输概率和发射预编码矩阵，以改善总速率性能。由于目标函数的非凸性，该联合设计问题被证明是一个复杂的非凸问题。为了解决这个问题，采用了一种受自然启发的启发式优化方法——萤火虫算法（FA）来求解原始非凸优化问题的局部最优解。然而，基于FA的方法具有较高的计算复杂度。因此，我们提出了一种基于迫零（ZF）预编码的低复杂度设计，该设计使用交替优化（AO）方法求解。仿真结果表明，与采用均匀信令的传统设计相比，所提出的PCS联合设计显着提高了总速率性能。同时，也提供了一些关于两种联合设计方法的最佳符号分布的见解。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决多用户可见光通信（VLC）系统中，在信号幅度约束下，如何最大化系统总速率的问题。传统方法通常采用均匀信令，未能充分利用信道特性和用户需求，导致系统性能受限。现有预编码方法也未与星座整形相结合，无法实现全局优化。
核心思路：论文的核心思路是联合设计概率星座整形（PCS）和预编码，通过优化每个用户的M-PAM符号的传输概率和发射预编码矩阵，以最大化系统总速率。PCS允许根据信道条件和用户需求自适应地调整符号传输概率，从而提高频谱效率。预编码则用于消除用户间干扰，进一步提升系统性能。
技术框架：该联合设计方案包含两个主要部分：概率星座整形和预编码。首先，确定每个用户的M-PAM符号集。然后，联合优化每个符号的传输概率以及预编码矩阵。针对优化问题，论文提出了两种解决方案：一种是基于萤火虫算法（FA）的全局优化方法，另一种是基于迫零（ZF）预编码的低复杂度交替优化（AO）方法。FA方法直接求解非凸优化问题，而AO方法则将问题分解为两个子问题，交替优化预编码矩阵和符号概率。
关键创新：论文的关键创新在于提出了PCS和预编码的联合设计框架，打破了传统VLC系统中独立设计星座整形和预编码的局限性。通过联合优化，可以更好地适应信道条件和用户需求，从而显著提高系统性能。此外，针对FA算法复杂度高的问题，提出了基于ZF预编码的低复杂度AO算法，在保证性能的同时降低了计算复杂度。
关键设计：在基于FA的联合设计中，目标函数为系统总速率，优化变量为每个用户的符号传输概率和预编码矩阵。FA算法用于搜索最优解。在基于ZF预编码的AO算法中，首先使用ZF预编码消除用户间干扰，然后交替优化每个用户的符号传输概率，直至收敛。关键参数包括M-PAM的阶数M，用户数量，信噪比等。损失函数为负的总速率，通过最小化负总速率来最大化总速率。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
仿真结果表明，与传统的均匀信令设计相比，所提出的PCS联合设计显著提高了系统总速率性能。具体而言，在特定信噪比条件下，基于FA的联合设计方案可以获得更高的总速率增益。同时，基于ZF预编码的低复杂度AO算法在性能略有损失的情况下，显著降低了计算复杂度，更适用于实际应用。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于室内无线光通信、智能照明系统等领域。通过优化信号传输方式，提高通信速率和可靠性，为用户提供更优质的无线通信服务。未来，该技术有望应用于更复杂的VLC网络，例如多小区VLC系统，进一步提升系统性能。
📄 摘要（原文）
This paper proposes a joint design of probabilistic constellation shaping (PCS) and precoding to enhance the sum-rate performance of multi-user visible light communications (VLC) broadcast channels subject to signal amplitude constraint. In the proposed design, the transmission probabilities of bipolar $M$-pulse amplitude modulation ($M$-PAM) symbols for each user and the transmit precoding matrix are jointly optimized to improve the sum-rate performance. The joint design problem is shown to be a complex non-convex problem due to the non-convexity of the objective function. To tackle the problem, the firefly algorithm (FA), a nature-inspired heuristic optimization approach, is employed to solve a local optima to the original non-convex optimization problem. The FA-based approach, however, suffers from high computational complexity. Therefore, we propose a low-complexity design based on zero-forcing (ZF) precoding, which is solved using an alternating optimization (AO) approach. Simulation results reveal that the proposed joint design with PCS significantly improves the sum-rate performance compared to the conventional design with uniform signaling. Some insights into the optimal symbol distributions of the two joint design approaches are also provided.