基于MIMO预编码的矿井紫外光非视距链路增强方法

煤矿井下通信，具体涉及一种紫外光通信中mimo预编码技术的应用与链路增强优化。

背景技术：

1、在煤矿井下特殊受限空间中，紫外光通信因具备抗电磁干扰、无需复杂布线等优势，成为井下应急通信、传感数据传输的重要候选技术之一。目前，现有紫外光通信技术在井下应用时，主要依赖非视距传播模式，即通过紫外光的反射与散射实现信号传输。

2、然而，煤矿井下空间狭小、工况复杂，存在大量设备遮挡、空气随机湍流等因素，导致紫外光传播路径复杂多变。一方面，复杂路径会引发严重的路径损耗，造成信号强度大幅衰减；另一方面，多路径传播会产生符号间干扰和脉冲时延扩展，直接导致紫外光通信系统带宽偏小、传输速率偏低，难以满足井下高清视频监控、大容量数据实时传输的需求。

3、现有针对紫外光通信的优化方案，如传统siso（单输入单输出）系统的功率调节、简单调制方式改进等，无法有效解决井下多路径带来的信道相关性强、空间分集与复用性能差的问题。部分mimo（多输入多输出）技术在紫外光通信中的尝试，虽能通过多天线阵列提升传输能力，但未充分考虑煤矿井下特殊约束：一是井下不适宜部署大尺寸光学收发阵列，阵列单元间距、角度调节范围有限，导致mimo空间子信道相关性过高，独立数据子流数量减少；二是缺乏针对井下时变空变环境的稳健预编码设计，信道估计误差大，易引发通信中断；三是弱光条件下复杂叠加星座的符号检测准确性不足，进一步制约系统传输性能。这些问题的核心原因在于现有技术未结合煤矿井下环境特性，构建适配的信道模型、预编码机制与检测算法，导致紫外光非视距链路的覆盖能力和传输稳定性无法满足实际应用需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足指出，提供一种基于mimo预编码的矿井紫外光非视距链路增强方法，以解决现有煤矿井下紫外光通信存在的路径损耗严重、符号间干扰突出、信道相关性强、传输速率低、稳定性差等问题。

2、为实现上述技术目的，本发明公开一种基于mimo预编码的矿井紫外光非视距链路增强方法，其特征在于，步骤如下：

3、s1、获取矿井紫外光非视距mimo信道测量数据、环境参数和阵列约束，计算空间子信道相关性，并在阵列可调范围内确定收发阵列布局；

4、s2、根据空间子信道相关性和可达速率确定星座图集合，并为不同空间复用数据流分配不同的星座图；

5、s3、基于星座图生成数据符号，根据收发阵列单元间的紫外光非视距信道冲激响应生成时间反转频域预编码权重，并将预编码后的信号映射至发送阵列；

6、s4、接收端估计空间子信道并检测数据符号，根据估计误差、可达速率和中断概率，在紫外光功率及人体暴露安全约束下联合更新时间反转频域预编码权重、发送端预编码参数和接收端预编码参数，用于下一帧传输。

7、进一步，s1具体步骤为：

8、s1.1、初始化矿井紫外光非视距mimo系统，矿井紫外光非视距mimo系统包括发送端和接收端，发送端包括多个紫外光发送阵列单元，接收端包括多个紫外光接收阵列单元，发送端与接收端通过矿井紫外光非视距信道进行信号传输；

9、s1.2、初始化矿井紫外光非视距mimo系统的发送端参数和接收端参数，并为时间反转频域预编码权重、发送端预编码参数和接收端预编码参数设置初始值；其中，初始值为预设初始值或上一发送帧的优化结果；

10、s1.3、采集煤矿井下当前环境参数、矿井紫外光非视距mimo信道测量数据和收发阵列参数，当前环境参数包括湍流强度、湍流数量、湍流尺寸、物体反射强度、反射阶数和反射物体数量中的至少一种，收发阵列参数包括紫外光发送、接收阵列单元的几何形状、阵列单元间距、空间朝向角、光束发散角和接收视场角中的至少一种；

11、s1.4、根据信道测量数据计算不同收发朝向组合下各发送阵列单元至各接收阵列单元之间的空间子信道相关性，得到当前收发阵列布局对应的空间子信道相关性，并根据所述空间子信道相关性获得平均值、最大值和中位数，表征对应收发朝向组合下的空间子信道相关水平；

12、s1.5、将当前环境参数、收发阵列参数和候选收发阵列布局参数输入空间子信道相关性预测模型，得到各候选收发阵列布局参数对应的预测空间子信道相关性指标；其中，空间子信道相关性预测模型为以当前环境参数、收发阵列参数和候选收发阵列布局参数为输入、以预测信道相关性为输出的回归预测模型；

13、s1.6、在发送阵列单元间距、接收阵列单元间距、发送阵列空间朝向角、接收阵列空间朝向角的物理调节范围内，以预测信道相关性低于预设阈值为目标，从候选收发阵列布局参数中确定收发阵列布局。

14、进一步，s2具体步骤为：

15、s2.1、在煤矿井下受限空间中，发送端和接收端的紫外光发送阵列单元和距和紫外光接收阵列单元空间朝向角受到物理调节范围限制，发送端基于收发阵列布局下的空间子信道相关性和可达速率，确定用于不同空间复用数据流的星座图集合；星座图集合包括分别分配给不同空间复用数据流的多个星座图，不同星座图在星座点数量、星座点位置、星座点发送概率、不同星座图之间的相对偏移和旋转角度中至少一种上不同；

16、s2.2、发送端按照星座图集合对不同空间复用数据流进行星座映射，使接收端根据不同星座图之间的差异区分不同空间复用数据流的信号来源，以补偿仅通过收发阵列布局调整难以充分降低空间子信道相关性所造成的数据流区分能力不足。

17、进一步，s3具体步骤为：

18、s3.1、发送端将待发送业务数据转换为多个空间复用数据流，并按照星座图集合，对不同空间复用数据流分别分配不同的星座图进行星座映射，生成与各空间复用数据流对应的数据符号；

19、s3.2、针对矿井紫外光非视距信道的接收信号由宏观物体反射路径以及微观粒子散射路径共同形成，并导致接收光信号存在弱光接收、多径传播、脉冲时延扩展和符号间干扰的问题，发送端在星座映射之后、时间反转频域预编码之前，对s3.1生成的所述数据符号进行频域加扩，其中，宏观物体反射路径包括巷道壁、煤壁、岩壁和设备表面，微观粒子散射路径包括粉尘、水雾和气体分子；

20、s3.3、所述频域加扩具体包括：发送端针对每个空间复用数据流，将该空间复用数据流对应的数据符号按照预设子载波间隔分配至多个ofdm子载波的频域位置，得到与该空间复用数据流对应的频域加扩后的数据符号；所述频域加扩后的数据符号作为后续时间反转频域预编码的输入；

21、s3.4、发送端根据各紫外光发送阵列单元至各紫外光接收阵列单元之间的紫外光非视距信道冲激响应，确定作用于对应ofdm子载波的时间反转频域预编码权重；

22、s3.5、发送端利用所述时间反转频域预编码权重，对s3.3得到的频域加扩后的数据符号按照ofdm子载波进行频域预编码，得到频域预编码后的信号；其中，所述频域预编码用于使频域加扩后的数据符号结合矿井紫外光非视距信道的多径传播特性，在目标紫外光接收阵列单元处形成时间聚焦和空间聚焦；

23、s3.6、发送端对所述频域预编码后的信号进行光ofdm调制，得到满足强度调制直接检测约束的时域非负实信号，并根据发送端预编码参数，将所述时域非负实信号加权映射至对应的紫外光发送阵列单元；

24、s3.7、发送端根据s1中初始化的发送端参数确定循环前缀长度和训练序列长度；发送端对所述时域非负实信号添加循环前缀，并插入训练序列，得到待发射紫外光信号；其中，所述循环前缀由所述时域非负实信号中每个ofdm时域符号尾部的部分采样点复制至该ofdm时域符号前端形成，用于为矿井紫外光非视距多径传播产生的时延扩展提供保护间隔，并降低相邻ofdm符号之间的符号间干扰；所述训练序列为发送端和接收端预先确定的已知符号序列，用于接收端估计各紫外光发送阵列单元至各紫外光接收阵列单元之间的空间子信道。

25、进一步，s4具体步骤如下：

26、s4.1、接收端根据训练序列估计各紫外光发送阵列单元至各紫外光接收阵列单元之间的空间子信道，得到当前信道估计结果；

27、s4.2、针对煤矿井下采动过程、通风风流和设备移动引起的环境时变空变，结合当前信道估计结果、历史信道测量数据和当前环境参数，确定信道估计误差；利用信道估计误差表征矿井紫外光非视距信道变化导致的时间反转聚焦偏移和空间复用数据流干扰变化；

28、s4.3、接收端根据接收端预编码参数，对多个紫外光接收阵列单元接收的信号进行加权合并，得到各空间复用数据流对应的接收信号；其中，接收端预编码参数用于确定不同紫外光接收阵列单元接收信号的合并权重；

29、s4.4、接收端根据所述信道估计误差和各空间复用数据流对应的接收信号，确定各空间复用数据流的可达速率以及矿井紫外光非视距mimo链路的传输中断概率；

30、s4.5、在发送功率约束、紫外光瞬时强度约束、紫外光平均强度约束、紫外光人体暴露安全约束、可达速率约束和传输中断概率约束下，以降低发送功率并满足各空间复用数据流的可达速率要求为目标，将时间反转频域预编码权重、发送端预编码参数和接收端预编码参数作为联合优化变量进行稳健优化；

31、其中，稳健优化用于在信道估计误差、紫外光发射安全限制和传输中断概率约束同时存在时，协同调整时间反转频域预编码权重、发送端预编码参数和接收端预编码参数；时间反转频域预编码权重用于调整矿井紫外光非视距多径信号在目标接收阵列单元处的时间聚焦和空间聚焦，发送端预编码参数用于调整时域非负实信号到紫外光发送阵列单元的加权映射并满足紫外光发射安全限制，接收端预编码参数用于调整接收阵列单元信号的分集合并并降低空间复用数据流间干扰和传输中断风险；

32、s4.6、将稳健优化得到的时间反转频域预编码权重、发送端预编码参数和接收端预编码参数用于下一发送帧或下一时隙的矿井紫外光非视距mimo链路传输。

33、有益效果：

34、（一）煤矿井下紫外光mimo信道相关性优化与阵列/星座协同设计：间狭小、阵列尺寸受限导致的mimo空间子信道相关性过高（独立数据子流少）问题，发明了“环境分析-布局优化-星座增强”的递进式解决方案：

35、1.信道相关性建模与预测：基于井下实际信道测量数据，建立湍流强度、反射物体数量/阶数、光束发散角等环境参数与信道相关性（通过特定公式量化）的数值关系，再利用生成对抗网络（gan）、扩散模型训练相关性预测器，可快速预判不同环境下的信道状态；

36、2.受限空间阵列布局优化：在阵列单元间距、角度调节范围有限的约束下，通过强化学习、粒子群优化算法寻找“最小化信道相关性”的收发阵列布局，无需依赖大尺寸阵列；

37、3.叠加星座调制增强：若布局优化后相关性仍未达标，通过调整星座点数量、位置、概率及星座图相对偏移/旋转，结合几何整形与概率整形，提升接收端对不同信号源的区分能力，进一步降低相关性，增强空间复用与分集性能。

38、（二）适配井下约束的时间反转mimo稳健预编码机制：

39、针对井下环境时变空变（信道互易性破坏、估计误差大）、功率/人体安全受限（紫外光暴露有上限）问题，发明了“信道估计-预编码优化-约束适配”的稳健传输方案：

40、1.多约束下的预编码联合优化即时间反转预编码矩阵、发送预编码矩阵和接收预编码矩阵：在“总发送功率上限、紫外光瞬时/平均强度安全限制、传输中断概率≤阈值”的约束下，联合优化时间反转预编码矩阵、发送预编码矩阵、接收预编码矩阵；

41、2.非凸问题高效求解：通过berstein不等式将“中断概率”这一难以处理的机会约束转化为确定性约束，再用连续凸近似、交替优化算法求解，或通过强化学习（“环境=信道数据、奖励=功率/速率损失、动作=预编码矩阵选择”）以适配复杂时变环境，确保在低功率、高安全标准下实现高稳定传输。