CN103873147B - 一种可见光通信中led阵列功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可见光通信（VLC）中LED阵列功率分配方法，涉及可见光通信领域，包括：（1）接收端根据已知导频信息或参考信号获得系统的信道状态信息；（2）接收端将信道状态信息反馈给发射端；（3）发射端根据功率限制条件并利用获取的信道状态信息，将总发射功率按给定公式计算并分配给各个LED阵列以调节发射功率。本发明的特点在于，根据发射功率限制条件，使用信道状态信息合理的控制各个LED阵列的发射功率，使得VLC通信系统既满足照明要求和人眼安全要求，又提高系统的容量。与传统的平均功率分配方法相比，本发明在保证照明要求的前提下，能够有效的提高系统的容量。

Description

一种可见光通信中LED阵列功率分配方法

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，尤其涉及一种可见光通信中LED阵列功率分配方法。

背景技术

可见光通信（VLC）具有低成本，高功率效率，无频谱限制，没有电磁干扰，高数据速率，安全可靠的优势，已越来越多的引起人们的关注，国际电力与电子工程师协会（IEEE）已经制定了相应的标准。VLC中最普遍的方案是强度调制-直接检测（IM-DD）方案，一般利用发光二极管（LED）作为发射设备，利用光检测器（PD）作为接收设备。常用的强度调制方案包括OOK，MPPM，MPAM等。

在传统无线通信中，多输入多输出（MIMO）技术和OFDM技术中使用“注水定理”根据系统的信道状态信息为不同的子信道分配不同的功率。对于信道质量好的子信号，分配较多功率，对于信道质量差的信道，分配较少的功率，这样可以提高整个无线通信系统的数据传输速率。VLC中同样可以利用类似技术来提高系统的整体性能。由于光通信是功率驱动而非传统无线通信中的幅度驱动，传统无线通信系统中的“注水定理”已经无法直接利用于可见光通信系统中。

在一个多个房间多用户，多个LED阵列组成的VLC通信系统中，考虑到照明和人眼安全的要求，VLC中的功率分配与传统无线通信系统存在较大区别，但是目前尚没有文献针对功率驱动的无线光通信提出有效的LED阵列功率分配方法。本发明将提供适用于此类VLC通信系统中的功率分配方法。

发明内容

本发明提供一种可见光通信中LED阵列功率分配方法，在一个N_t个房间，每个房间一个LED阵列的环境中，在保证照明和人眼安全需要的前提下，利用信道状态信息，合理的分配可见光LED阵列通信系统中多个LED的发射功率，从而使系统的容量达到最大。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种可见光通信中LED阵列功率分配方法，包括如下步骤：

（1）可见光LED阵列通信系统接收端根据发射端发送的导频信号（Pilot）或参考信号（RS）确定信道增益h，即信道状态信息（CSI），然后将其反馈给发射端；

（2）发射端获得信道状态信息后，若不使用该信息，则根据下式为每个信道的LED平均分配发射功率P_i：

$P_i=\sqrt{\frac{E_s}{{\mathrm{kN}}_t}}$

其中E_s代表整个LED阵列的总电功率限制，k代表LED阵列中电功率与光功率的转换因子，其取值因LED型号不同而不同，N_t表示发射端LED个数；

若发射端使用接收端反馈的信道状态信息，则根据下式为每个信道的LED分配发射功率P_i：

$P_i=\sqrt{{[\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{{\mathrm{\γ}}^2{h}_i^2}]}_{P_{\mathrm{low}}^2}^{P_{\mathrm{high}}^2}}$

其中γ表示接受端PD的光电转换因子，h_i表示第i个信道的信道增益，表示第i个信道中的加性高斯白噪声的能量水平，P_low表示单个LED阵列最小光功率限制，P_high表示单个LED阵列最大光功率限制，符号表示a≤x≤b，即μ在保证发射功率P_i满足功率限制条件的情况下任意选择；；

（3）LED阵列中每个LED按照分配的功率进行照明并同时发送待传输的数据。

有益效果：（1）本发明提供一种可见光通信中LED阵列功率分配方法，在保证照明需要的前提下，利用信道状态信息，合理的分配可见光LED阵列通信系统中多个LED的发射功率，从而使系统的容量达到最大；（2）本发明提供的应用于可见光LED阵列通信的自适应功率分配方法的优势在于发射端能根据信道状态信息以及功率限制条件为每个LED分配发射功率，对于信道条件好的子信道，分配较多的功率，对于信道条件差的子信道，分配较少的功率，从而提高系统信道容量。

附图说明

图1为本发明的可见光LED阵列通信的系统模型图。

图2为本发明在实际仿真中的有无信道状态信息的系统容量比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

首选对可见光LED阵列通信系统模型，以及功率分配原理做详细介绍。

（1）可见光LED阵列通信系统模型

如图1所示，假设一个LED阵列通信系统中有N_t个房间，每个房间有一个LED阵列作为发射端，其既用作照明，又用来通信。每个房间有多个用户，每个用户采用一个光检测器PD作为接收端，则接收端的接收信号可以表示为：

y＝γh*x+n

其中，γ表示PD的光电转换效率，取值为（0,1），y是接收端的接收信号，x表示发射端的发送信号，n表示接收端的加性高斯白噪声，h表示可见光信道增益。

（2）反馈信道状态信息

可见光LED阵列通信系统接收端根据发射端发送的导频信号（Pilot）或参考信号（RS）确定信道增益和h，即信道状态信息（CSI），然后将其反馈给发射端；

（3）LED功率分配

在室内，LED的首要作用是提供照明。根据国际照明委员会的要求，为满足照明，LED的光功率需要大于最小光功率限制P_low，同时出于保证眼睛安全的考虑，LED的光功率不应该超过最大光功率限制P_high。在实际中通过调节电功率来达到调节光功率的目的，平均电功率和平均光功率之间满足：E＝kP²，其中E表示电功率，P表示光功率，而k为LED阵列中电功率与光功率的转换因子，为一常数。

定义总的发射功率限制为电功率，即为E_s。可见光LED阵列通信系统的功率限制可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i\≥P_{\mathrm{low}}\\ P_i\≤P_{\mathrm{high}}\\ k\underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i^2=E_s\end{array}\right.$

其中，P_i表示每个LED的光功率。根据系统中两种不同的条件，分别选择合适的LED阵列功率分配计算方法：

对于无信道状态信息的情况，发射功率平均分配到每个LED端：

$P_i=\sqrt{\frac{E_s}{{\mathrm{kN}}_t}}$

对于接收端有信道状态信息的情况，每个LED的发射功率为：

$P_i=\sqrt{{[\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{{\mathrm{\γ}}^2{h}_i^2}]}_{P_{\mathrm{low}}^2}^{P_{\mathrm{high}}^2}}$

其中γ表示接受端PD的光电转换因子，h_i表示第i个信道的信道增益，表示第i个信道中的加性高斯白噪声的能量水平，P_low表示单个LED阵列最小光功率限制，P_high表示单个LED阵列最大光功率限制，符号表示a≤x≤b，即μ在保证发射功率P_i满足功率限制条件的情况下进行任意选择。

在上述内容基础上，本发明提供的一一种可见光通信中LED阵列功率分配方法，其步骤如下：

（1）可见光LED阵列通信系统的接收端根据已知导频信息或参考信号获得信道增益，即信道状态信息，然后将其反馈给发射端；

（2）发射端利用获得的信道状态信息，根据下面的公式计算出系统中每个LED的发射功率：

$P_i=\sqrt{\frac{E_s}{{\mathrm{kN}}_t}}$ 或 $P_i=\sqrt{{[\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{{\mathrm{\γ}}^2{h}_i^2}]}_{P_{\mathrm{low}}^2}^{P_{\mathrm{high}}^2}}$

其中N_t表示发射端LED个数，γ表示接受端PD的光电转换因子，h_i表示第i个信道的信道增益，表示第i个信道中的加性高斯白噪声的能量水平，P_low表示单个LED阵列最小光功率限制，P_high表示单个LED阵列最大光功率限制，符号表示a≤x≤b，即μ在保证发射功率P_i满足功率限制条件的情况下进行任意选择。

（3）LED按照分配的功率进行照明并同时发送待传输的数据

上述方法步骤中，步骤（1）所述系统的接收端根据已知导频信息获得信道增益，即信道状态信息，然后反馈给发射端，其步骤如下：

（11）发射端向接收端发送已知导频信号或参考信号，接收端根据接收到的已知导频信号或参考信号，采用最小方差或者最小均方误差的方法估计无线光信道增益。

上述方法步骤中，步骤（2）所述发射端利用获得的信道状态信息为每个LED分配发射功率，其步骤如下：

（21）若发射端不使用反馈回的信道状态信息，则根据下式为每个LED平均分配发射功率：

$P_i=\sqrt{\frac{E_s}{{\mathrm{kN}}_t}}$

其中E_s代表整个LED阵列发光系统的总电功率限制，k代表光功率与电功率的转换因子，其取值因LED型号不同而不同，N_t表示发射端LED个数。

（22）若发射端使用反馈回的信道状态信息，则根据下式为每个LED分配发射功率：

$P_i=\sqrt{{[\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{{\mathrm{\γ}}^2{h}_i^2}]}_{P_{\mathrm{low}}^2}^{P_{\mathrm{high}}^2}}$

其中γ表示接受端PD的光电转换因子，h_i表示第i个信道的信道增益，表示第i个信道中的加性高斯白噪声的能量水平，P_low表示单个LED阵列最小光功率限制，P_high表示单个LED阵列最大光功率限制，符号表示a≤x≤b，即μ在保证发射功率P_i满足功率限制条件的情况下进行任意选择。

表1和表2为本发明的具体仿真环境参数，图2为本发明在实际仿真中的有无信道状态信息的系统容量比较，由此可以看出，相对与现有可见光通信系统发射端LED等功率分配的方式，本发明提供的方法能明显提高系统信道容量；但与发送端没有信道状态信息的情况相比，存在信道状态信息能明显提高系统信道容量，但是需要接收端反馈信道状态信息，并且需要额外的系统调度资源。

表1

系统参数	取值
		房间数/LED个数	4
房间长度	5
		房间宽度	5
房间高度	3
		每房间瞬时用户数	1
最大发射功率	2倍平均功率
		最小发射功率	0.7倍平均功率
PD的折射率	1.5
		PD的光电转换因子	0.53A/W

表2

参数	房间1	房间2	房间3	房间4
					LED阵列位置	（2.5,2.5,3）	（2.5,2.5,3）	（2.5,2.5,3）	（2.5,2.5,3）
LED阵列发射半角	60度	60度	60度	60度
					用户位置	（1.25,1.25,0.8）	（2.5,2.5,0.8）	（1.25,4,0.8）	（2.5,5,0.8）
PD视场（FOV）	90度	60度	60度	90度
					PD的接收面积	0.004m2	0.0032m2	0.0032m2	0.004m2

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种可见光通信中LED阵列功率分配方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）可见光LED阵列通信系统接收端根据发射端发送的导频信号或参考信号确定信道增益h，即信道状态信息，然后将其反馈给发射端；

（2）发射端获得信道增益h后，若发射端不使用信道状态信息，则根据下式为每个LED阵列平均分配发射功率P_i：

$P_i=\sqrt{\frac{E_s}{{\mathrm{kN}}_t}}$

其中E_s代表整个LED阵列的总电功率限制，k代表LED阵列中电功率与光功率的转换因子，其取值因LED型号不同而不同，N_t表示系统中房间的个数，即LED阵列的个数；

若发射端使用接收端反馈的信道增益h，则根据下式为每个信道的LED分配发射功率P_i：

$P_i=\sqrt{{[\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\σ}}_i^2}{{\mathrm{\γ}}^2{h}_i^2}]}_{P_{\mathrm{low}}^2}^{P_{\mathrm{high}}^2}}$

其中γ表示接受端PD的光电转换因子，h_i表示第i个信道的信道增益，表示第i个信道中的加性高斯白噪声的能量水平，P_low表示单个LED阵列最小光功率限制，P_high表示单个LED阵列最大光功率限制，符号表示a≤x≤b，即μ在保证发射功率P_i满足功率限制条件的情况下任意选择；

（3）每个LED阵列按照分配的功率进行照明并同时发送待传输的数据。

2.根据权利要求1所述的一种可见光通信中LED阵列功率分配方法，其特征在于：所述步骤（1）中接收端向发射端反馈信道状态信息包括如下步骤：

（11）发射端向接收端发送已知导频信号或参考信号，接收端根据接收到的已知导频信号或参考信号，采用最小方差或者最小均方误差的方法估计信道增益h，即信道状态信息，然后反馈给发射端。