CN104811245A - 一种联合色域与空域调制的可见光通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种联合色域与空域调制的可见光通信方法，包括以下步骤：S1.将输入的二进制信息转化为一个维的二进制矩阵，其中n为发送的总符号数，为每次发送的符号包含的比特数目；S2.对于每个符号，令其中N_t表示RGB LED发射机的数目，m_csk表示用于进行色域调制的CSK调制符号包含的比特数目，m_osm表示用于进行空域调制的OSM调制符号包含的比特数目；S3.对CSK调制符号进行CSK调制后，将获得的CSK调制信号通过OSM调制符号选择的RGB LED发射机进行发射；S4.接收器接收RGB LED发射机发射的CSK调制信号，再根据接收信号对OSM调制符号、CSK调制符号进行解调，从而恢复符号的比特信息。

Description

一种联合色域与空域调制的可见光通信方法

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地，涉及一种联合色域与空域调制的可见光通信方法。

背景技术

光空间调制(Optical Spatial Modulation，OSM)技术是现有的可见光通信技术中的一种，它在每个符号周期只通过一个发光二极管(LED)发送信息，这种技术能够避免载波间干扰(Inter-Carrier Interference，ICI)，并且能够有效地利用空间分集度。在OSM系统中，输入比特经过OSM调制以后，根据输入比特映射表，只激活1盏LED灯，其发送的光信号通过光无线信道H(t)到达接收端，接收机解调出发送的位置信息之后再还原信息比特。然而，OSM技术虽然可以支持较高速率的传输，但是并不能有效地降低系统的传输误码率，这使得该技术的应用要求较高的信噪比(SNR)条件，在低SNR条件时这种技术的性能较差。

另一方面，色移键控(Color Shift Keying，CSK)技术主要通过使用红绿蓝(RGB)LED作为发射机，通过RGB三种颜色的不同组合，把输入比特调制成不同比例的三色RGB混合光后发射出去。在CSK系统中，根据输入比特映射表，将输入比特映射到CIE1931颜色空间的xy色度，接着转化为RGB三色LED的发送功率，再通过混合光度的形式发送出去。在接收端，不同颜色的窄带光滤波器只允许对应的颜色的光通过，加入独立同分布的高斯白噪声后便得到了接收光功率，通过接收光功率可计算出原发送的xy色度，从而恢复输入比特。CSK虽然能够获得较好的误码率性能，但是由于没有充分利用空间信息，从而限制了它的最高传输速率。

发明内容

本发明为解决以上现有技术的缺陷，提供了一种联合色域与空域调制的可见光通信方法，该方法在实现大幅降低误比特率的同时，能够有效提高系统的传输速率。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种联合色域与空域调制的可见光通信方法，包括以下步骤：

S1.将输入的二进制信息转化为一个维的二进制矩阵，其中n为发送的总符号数，为每次发送的符号包含的比特数目；

S2.对于每个符号，令其中N_t表示RGBLED发射机的数目，m_csk表示用于进行色域调制的CSK调制符号包含的比特数目，m_osm表示用于进行空域调制的OSM调制符号包含的比特数目，OSM调制符号用于选择进行发送CSK调制信号的RGB LED发射机；

S3.对CSK调制符号进行CSK调制后，将获得的CSK调制信号通过OSM调制符号选择的RGB LED发射机进行发射；

S4.接收器接收RGB LED发射机发射的CSK调制信号，再根据接收的信号对OSM调制符号、CSK调制符号进行解调，从而恢复符号的比特信息。

上述方案中，本发明提供的方法不仅能够有效地利用多通道技术提供的空间增益，并且能够充分利用色域编码的分集增益，因此通过本方法能够提高信息传输速率并且增强传输链路的鲁棒性。在相同的数据率下，使用本方法能够获得比现有的OSM或CSK方案更低的误码率与更高的数据率。

优选地，步骤S3中，进行CSK调制后，获得包含CSK调制符号xy色度信息的(N_t×2)维矩阵W(k)，W(k)内对应于选择进行发送的RGB LED发射机序号的行内包含的元素分别为xy色度信息，W(k)内其余行包括的元素皆为0；提取CSK调制符号的xy色度信息并将xy色度信息转换为RGB LED发射机的发送功率P_i、P_j和P_k，具体如下：

       $\left\{\begin{array}{c}x=P_i{x}_i+P_j{x}_j+P_k{x}_k\\ y=P_i{y}_i+P_j{y}_j+P_k{y}_k\\ P_i+P_j+P_k=1\end{array}\right.$

其中(x_i,y_i)、(x_j,y_j)、(x_k,y_k)分别代表RGB LED发射机中3个LED各自对应的xy色度，求取获得发送功率P_i、P_j和P_k后，构造(N_t×3)维的矩阵X(k)，其中X(k)内对应于选择进行发送的RGB LED发射机序号的行内包含的元素分别为发送功率P_i、P_j和P_k，X(k)内其余行包括的元素皆为0；矩阵X(k)为发射的CSK-OSM调制信号。

优选地，步骤S3中，RGB LED发射机通过光无线信道H(t)向接收器发送经过CSK、OSM联合调制后的信号X(k)，H(t)表示如下：

      

其中h_ij(t)＝[h_ij ⁽⁰⁾(t)h_ij ⁽¹⁾(t)…h_ij ^(K)(t)]表示通过光线追踪技术获得的RGBLED发射机j与接收器i之间的信道参数，因此接收器接收的信号Y(t)表示如下：

       $Y\left(t\right)=H\left(t\right)\⊗X\left(t\right)+n\left(t\right)$

其中表示时域卷积，n(t)表示(N_r×3)维的独立同分布的加性高斯白噪声，加性高斯白噪声的双边功率谱密度为σ_n ²；接收器接收Y(t)后，根据Y(t)对OSM调制符号、CSK调制符号进行解调。

优选地，步骤S4中，使用分步解调法对接收信号进行解调，具体如下：

       $\left\{\begin{array}{c}\hat{l}=\underset{l}{\arg \max }\left(p_l\right)\\ \widehat{\mathrm{\ν}}=\arg \min \left[{{\left|\right|Y\left(t\right)-q_{\hat{l},\mathrm{\ν}}\left|\right|}_F}^2\right]\end{array}\right.$

其中为选择的RGB LED发射机的序号，p_l为矩阵p的第l列，矩阵p可由下式定义：

p＝[H(t)^-1·Y(t)]^Τ

      为CSK调制符号，||·||_F ²表示弗罗贝尼乌斯范数，q_l,ν＝H(t)·g_l,ν，其中g_l,ν表示(N_r×3)维的矩阵，g_l,ν第l行内的元素分别为CSK调制符号转换获得的发送功率P_i、P_j和P_k；

获得之后，即可对OSM调制符号、CSK调制符号进行求解，从而恢复符号的比特信息。

优选地，使用最大似然法则对接收信号进行解调，具体如下：

       $\{\hat{l},\widehat{\mathrm{\ν}}\}=\arg \min \left[{{\left|\right|Y-q_{l,\mathrm{\ν}}\left|\right|}_F}^2\right]$

      为CSK调制符号，||·||_F ²表示弗罗贝尼乌斯范数，q_l,ν＝H(t)·g_l,ν，其中g_l,ν表示(N_r×3)维的矩阵，g_l,ν第l行内的元素分别为CSK调制符号转换获得的发送功率P_i、P_j和P_k；

获得之后，即能对OSM调制符号、CSK调制符号进行求解，从而恢复符号的比特信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的方法不仅能够有效地利用多通道技术提供的空间增益，并且能够充分利用色域编码的分集增益，因此通过本方法能够提高信息传输速率并且增强传输链路的鲁棒性。在相同的数据率下，使用本方法能够获得比现有的OSM或CSK方案更低的误码率与更高的数据率。

附图说明

图1为联合色域与空域调制的可见光通信方法的流程图。

图2为联合色域与空域调制的可见光通信方法的实施过程示意图。

图3为联合色域与空域调制的可见光通信方法调制符号映射图。

图4为不同VLC系统的误比特率仿真结果图。

图5为不同VLC系统的有效数据率仿真结果图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1、2、3所示，本实施例以4个LED发射机、4个光电二极管接收机为例对本发明提供的方法进行充分的说明，本发明提供的方法包括步骤S1、步骤S2、步骤S3、步骤S4，以下对本发明提供的方法分步进行详细的说明：

S1.将输入的二进制信息转化为一个维的二进制矩阵，其中n为发送的总符号数，为每次发送的符号包含的比特数目；

S2.对于每个符号，

令 $\tilde{m}=m_{\mathrm{osm}}+m_{\mathrm{csk}}={\log }_2\left(N_t\right)+m_{\mathrm{csk}}---\left(1\right)$

其中N_t表示RGB LED发射机的数目，m_csk表示用于进行色域调制的CSK调制符号包含的比特数目，m_osm表示用于进行空域调制的OSM调制符号包含的比特数目，OSM调制符号用于选择进行发送CSK调制信号的RGB LED发射机；

由式(1)中可知，在保持每次发送的符号包含的比特数m～不变的情况下，发射机数目与CSK调制符号的大小可以进行一定程度的自由组合，为不同的系统设计需求提供较好的灵活性，也可适配对BER、数据率有不同要求的应用场景。例如，2个发射机与大小为8的CSK调制符号能够获得与4个发射机与大小为4的CSK调制符号相同的发送比特数。本实施例中，将前两个比特进行空间调制，以选择承载发送信号的某个RGB LED，而将后两个比特进行色域调制，形成传输符号的某个xy色度。

S3.对CSK调制符号进行CSK调制后，将获得的CSK调制信号通过OSM调制符号选择的RGB LED发射机进行发射；

以上方案中，进行CSK调制后，获得包含CSK调制符号xy色度信息的(N_t×2)维矩阵W(k)，W(k)内对应于选择进行发送的RGB LED发射机序号的行内包含的元素分别为xy色度信息，W(k)内其余行包括的元素皆为0；提取CSK调制符号的xy色度信息并将xy色度信息转换为RGB LED发射机的发送功率P_i、P_j和P_k，具体如下：

       $\left\{\begin{array}{c}x=P_i{x}_i+P_j{x}_j+P_k{x}_k\\ y=P_i{y}_i+P_j{y}_j+P_k{y}_k\\ P_i+P_j+P_k=1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中(x_i,y_i)、(x_j,y_j)、(x_k,y_k)分别代表RGB LED发射机中3个LED各自对应的xy色度，求取获得发送功率P_i、P_j和P_k后，构造(N_t×3)维的矩阵X(k)，其中X(k)内对应于选择进行发送的RGB LED发射机序号的行内包含的元素分别为发送功率P_i、P_j和P_k，X(k)内其余行包括的元素皆为0；矩阵X(k)为发射的CSK-OSM调制信号。

同时，本实施例中，RGB LED发射机通过光无线信道H(t)向接收器发送经过CSK、OSM联合调制后的信号X(k)，光无线信道H(t)是归一化的{N_r×[N_t·(K+1)]}维的室内可见光多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)信道，其中N_r是接收天线数目，K是反射次数。本实施例中，假设信道包含直射(Line-of-Sight，LOS)分量和一次反射分量，即K＝1，H(t)可表示如下：

      

其中h_ij(t)＝[h_ij ⁽⁰⁾(t)h_ij ⁽¹⁾(t)…h_ij ^(K)(t)]表示通过光线追踪技术获得的RGBLED发射机j与接收器i之间的信道参数，因此接收器的接收信号Y(t)可表示如下：

       $Y\left(t\right)=H\left(t\right)\⊗X\left(t\right)+n\left(t\right)---\left(4\right)$

其中表示时域卷积，n(t)表示(N_r×3)维的独立同分布的加性高斯白噪声，加性高斯白噪声的双边功率谱密度为σ_n ²；接收器接收Y(t)后，根据Y(t)对OSM调制符号、CSK调制符号进行解调。

S4.接收器接收RGB LED发射机发射的CSK调制信号，再根据接收的信号对OSM调制符号、CSK调制符号进行解调，从而恢复符号的比特信息。

在解调方面，为解调CSK调制信号，本实施例在每一个接收器都采用了3个分别为红、绿、蓝光滤波器的光电二极管。其中窄带的光滤波器仅允许特定颜色的光通过，而光电二极管能够将接收到的光信号转化为电信号，以此来检测不同颜色信号的接收功率。在本实施例中，提出了两种解调方案，即分步解调法和最大似然法则法。

分步解调的过程具体如下：

       $\left\{\begin{array}{c}\hat{l}=\underset{l}{\arg \max }\left(p_l\right)\\ \widehat{\mathrm{\ν}}=\arg \min \left[{{\left|\right|Y\left(t\right)-q_{\hat{l},\mathrm{\ν}}\left|\right|}_F}^2\right]\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中为选择的RGB LED发射机的序号，p_l为矩阵p的第l列，矩阵p可由下式定义：

p＝[H(t)^-1·Y(t)]^Τ    (6)

      为CSK调制符号，||·||_F ²表示弗罗贝尼乌斯范数，

q_l,ν＝H(t)·g_l,ν    (7)

其中g_l,ν表示(N_r×3)维的矩阵，g_l,ν第l行内的元素分别为CSK调制符号转换获得的发送功率P_i、P_j和P_k；

获得之后，即可对OSM调制符号、CSK调制符号进行求解，从而恢复符号的比特信息。

而最大似然法则对接收信号进行解调的具体过程如下：

       $\{\hat{l},\widehat{\mathrm{\ν}}\}=\arg \min \left[{{\left|\right|Y-q_{l,\mathrm{\ν}}\left|\right|}_F}^2\right]---\left(8\right)$

      为CSK调制符号，||·||_F ²表示弗罗贝尼乌斯范数，q_l,ν＝H(t)·g_l,ν，其中g_l,ν表示(N_r×3)维的矩阵，g_l,ν第l行内的元素分别为CSK调制符号转换获得的发送功率P_i、P_j和P_k；

获得之后，即可对OSM调制符号、CSK调制符号进行求解，从而恢复符号的比特信息。

最大似然法则方法能够同时解调出被激活的LED发射机的序号(即OSM调制符号)和发送的CSK调制符号，在以更高的计算复杂度为代价的基础上，能够提供比分步解调更好的BER性能。

同时，为了更充分地阐述本发明所具有的有益效果，以下结合仿真分析及结果，进一步对本发明的有效性和先进性予以说明。

仿真在(4×4×8)m³的室内可见光通信模型中进行，其中4个LED发射机位于天花板的四个角落，而4个接收器位于1米高的桌子上。图4中的仿真结果均为在假设房间的高度为6.5米的情况下获得的。为了公平起见，使用1个或2个发射机的不同方案的仿真结果均已做了平均处理。图4的仿真结果显示，可提供4比特/符号数据率的4×4的4CSK-OSM-VLC系统的BER性能明显优于仅提供2比特/符号数据率的传统基于开关键控(On-Off Keying，OOK)调制的OOK-OSM-VLC系统。此外，使用最大似然法则解调的CSK-OSM-VLC系统的性能要优于分步解调的CSK-OSM-VLC系统。

此外，仿真实验还对不同VLC系统的有效数据率R_eff进行了仿真。其中R_eff的定义为：

R_eff＝M(1-P_f)/N_f    (9)

其中M是每数据帧的比特数，P_f是误帧率(Frame Error Rate，FER)。为公平比较起见，不同系统的帧大小均固定为N_f＝1024符号。由图5可见，在最高数据率为2比特/符号的设计目标下，本发明提出的使用联合检测的2×4 2CSK-OSM-VLC系统能够比对应的1×4的4CSK-VLC系统和4×4OOK-OSM-VLC系统有更好的数据率性能。例如，当信噪比为12dB时，本发明提出的2CSK-OSM-VLC系统所获得的有效数据率是4CSK-VLC系统的(6×10^-2)/(3×10^-3)＝20倍。此外，如果增加CSK调制阶数，可以进一步提升CSK-OSM-VLC系统的最高数据率，如图5所示。

本发明提供的方法不仅能够有效地利用多通道技术提供的空间增益，并且能够充分利用色域编码的分集增益，因此通过本方法能够提高信息传输速率并且增强传输链路的鲁棒性。在相同的数据率下，使用本方法能够获得比现有的OSM或CSK方案更低的误码率与更高的数据率。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种联合色域与空域调制的可见光通信方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.将输入的二进制信息转化为一个维的二进制矩阵，其中n为发送的总符号数，为每次发送的符号包含的比特数目；

S2.对于每个符号，令其中N_t表示RGBLED发射机的数目，m_csk表示用于进行色域调制的CSK调制符号包含的比特数目，m_osm表示用于进行空域调制的OSM调制符号包含的比特数目，OSM调制符号用于选择进行发送CSK调制信号的RGB LED发射机；

S3.对CSK调制符号进行CSK调制后，将获得的CSK调制信号通过OSM调制符号选择的RGB LED发射机进行发射；

S4.接收器接收RGB LED发射机发射的CSK调制信号，再根据接收的信号对OSM调制符号、CSK调制符号进行解调，从而恢复符号的比特信息。

2.根据权利要求1所述的联合色域与空域调制的可见光通信方法，其特征在于：步骤S3中，进行CSK调制后，获得包含CSK调制符号xy色度信息的(N_t×2)维矩阵W(k)，W(k)内对应于选择进行发送的RGB LED发射机序号的行内包含的元素分别为xy色度信息，W(k)内其余行包括的元素皆为0；提取CSK调制符号的xy色度信息并将xy色度信息转换为RGB LED发射机的发送功率P_i、P_j和P_k，具体如下：

$\left\{\begin{array}{c}x=P_i{x}_i+P_j{x}_j+P_k{x}_k\\ y=P_i{y}_i+P_j{y}_j+P_k{y}_k\\ P_i+P_j+P_k=1\end{array}\right.$

其中(x_i,y_i)、(x_j,y_j)、(x_k,y_k)分别代表RGB LED发射机中3个LED各自对应的xy色度，求取获得发送功率P_i、P_j和P_k后，构造(N_t×3)维的矩阵X(k)，其中X(k)内对应于选择进行发送的RGB LED发射机序号的行内包含的元素分别为发送功率P_i、P_j和P_k，X(k)内其余行包括的元素皆为0；矩阵X(k)为发射的CSK-OSM调制信号。

3.权利要求2所述的联合色域与空域调制的可见光通信方法，其特征在于：步骤S3中，RGB LED发射机通过光无线信道H(t)向接收器发送经过CSK、OSM联合调制后的信号X(k)，H(t)表示如下：

其中h_ij(t)＝[h_ij ⁽⁰⁾(t) h_ij ⁽¹⁾(t) … h_ij ^(K)(t)]表示通过光线追踪技术获得的RGBLED发射机j与接收器i之间的信道参数，因此接收器接收的信号Y(t)表示如下：

$Y\left(t\right)=H\left(t\right)\⊗X\left(t\right)+n\left(t\right)$

其中表示时域卷积，n(t)表示(N_r×3)维的独立同分布的加性高斯白噪声，加性高斯白噪声的双边功率谱密度为σ_n ²；接收器接收Y(t)后，根据Y(t)对OSM调制符号、CSK调制符号进行解调。

4.权利要求3所述的联合色域与空域调制的可见光通信方法，其特征在于：步骤S4中，使用分步解调法对接收信号进行解调，具体如下：

$\left\{\begin{array}{c}\hat{l}=\underset{l}{\arg \max }\left(p_l\right)\\ \hat{v}=\arg \min \left[{{\left|\right|Y\left(t\right)-q_{\hat{l},v}\left|\right|}_F}^2\right]\end{array}\right.$

其中为选择的RGB LED发射机的序号，p_l为矩阵p的第l列，矩阵p可由下式定义：

p＝[H(t)^-1·Y(t)]^Τ

为CSK调制符号，||·||_F ²表示弗罗贝尼乌斯范数，q_l,ν＝H(t)·g_l,ν，其中g_l,ν表示(N_r×3)维的矩阵，g_l,ν第l行内的元素分别为CSK调制符号转换获得的发送功率P_i、P_j和P_k；

获得之后，即可对OSM调制符号、CSK调制符号进行求解，从而恢复符号的比特信息。

5.根据权利要求3所述的联合色域与空域调制的可见光通信方法，其特征在于：使用最大似然法则对接收信号进行解调，具体如下：

$\{\hat{l},\hat{v}\}=\arg \min \left[{{\left|\right|Y-q_{l,v}\left|\right|}_F}^2\right]$

为CSK调制符号，||·||_F ²表示弗罗贝尼乌斯范数，q_l,ν＝H(t)·g_l,ν，其中g_l,ν表示(N_r×3)维的矩阵，g_l,ν第l行内的元素分别为CSK调制符号转换获得的发送功率P_i、P_j和P_k；

获得之后，即能对OSM调制符号、CSK调制符号进行求解，从而恢复符号的比特信息。