CN105553554A - 可见光通信信号星座设计方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可见光通信信号星座设计方法、装置及系统，基于朗伯辐射模型创建的可见光通信系统的通信模型及信号空间矩阵，并确定信号星座的光发送总功率；基于该通信模型发送训练序列估计信道矩阵，再通过对信道矩阵进行奇异值分解得到信道特征参数矩阵Λ和V，其中，信道特征参数矩阵V的影响体现在将信号星座点进行角度旋转，进一步获得信道特征参数λ₁、λ₂和基于角度旋转后的信号星座空间矩阵结合特征参数矩阵Λ，获取接收端任意两个星座点之间的待优化欧式距离，在信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对待优化欧式距离进行处理，获取不同情况下所对应的信号星座优化分布，从而实现最优的可见光通信系统的通信性能。

Description

可见光通信信号星座设计方法、装置及系统

技术领域

本申请属于无线通信技术领域，尤其是，涉及一种可见光通信信号星座设计方法、装置及系统。

背景技术

近年来，随着固态照明技术(Solid-statelighting)的发展，特别是LED(Light-emittingdiode，发光二极管)的大规模商用，作为一种新兴的无线通信方式，可见光通信技术，是指利用荧光灯或LED发出的肉眼感觉不到的高速明暗闪烁的光信号来传输数据信息的通信方式。这种方式采用人体长期接触的光作为传输媒介，因而与传统的无线射频信号相比，没有辐射伤害，且具有弥补无线射频带宽拥挤不足的巨大优点，因此日益受到人们的关注。

对于室内可见光通信，如果采用LED作为光源，并采用大面积的PD作为接收器，如果接收端采用滤光片和透镜增强接收效果，接收端接收到的有效光强分布满足公式(1)示出的朗伯辐射模型：

$R_0\left(\mathrm{\φ}\right)=\{\begin{array}{c}\frac{P_T{A}_r(m_1+1)}{2{\mathrm{\πd}}^2}{\cos }^{m_1}\left(\mathrm{\φ}\right)T_s\left(\mathrm{\ψ}\right)g\left(\mathrm{\ψ}\right)\cos \mathrm{\ψ},\left|\mathrm{\φ}\right|\≤\frac{\mathrm{\π}}{2},\mathrm{\ψ}\∈(0,{\mathrm{\Ψ}}_c)\\ 0,\left|\mathrm{\φ}\right|>\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}---\left(1\right)$

其中，m₁是朗伯模数，φ是光的辐射角度，P_T是发送光功率，A_r是接收端有效接收面积，d是灯源与PD的距离d，ψ是PD接收光的角度，Ψ_c是PD的FOV(FieldofView，视场角)大小。基于上述公式(1)，室内可见光通信信道信息(CSI)依据朗伯辐射模型可建模为公式(2)所示：

$H\left(\mathrm{\φ}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{A_r(m_1+1)}{2{\mathrm{\πd}}^2}{\cos }^{m_1}\left(\mathrm{\φ}\right)T_s\left(\mathrm{\ψ}\right)g\left(\mathrm{\ψ}\right)cos\mathrm{\ψ},\left|\mathrm{\φ}\right|\≤\frac{\mathrm{\π}}{2},\mathrm{\ψ}\∈(0,{\mathrm{\Ψ}}_c)\\ 0,\left|\mathrm{\φ}\right|>\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

由于室内可见光通信信道状态变化很缓慢，一般情况下人们将其认为是静态不变的。此外，由于单个LED发光功率有限，室内布局多采用多灯源的方式来获得足够的亮度。因此，室内可见光通信系统天然是一个多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput，MIMO)系统，这意味着可以同时使用多个灯源和接收端来进行多路信号的传输，以进一步提高通信速率。

在此前提下，如果可见光通信信号仍采用传统无线电领域的脉冲幅度调制方式(PulseAmplitudeModulation，PAM)，则因为LED的单项导电性，导致可见光通信信号必须满足非负性要求。但是在现有技术中，人们只是通过对PAM信号进行直流偏置的叠加，来使光通信信号满足非负性的要求，然而采用这种方式其功率效率非常低下，从而无法最优化的实现系统通信性能。

发明内容

本申请公开了一种可见光通信信号星座设计方法、装置及系统，以便于解决采用现有技术无法实现系统通信性能的最优化的问题。

为解决上述问题，公开了以下技术方案：

一种可见光通信信号星座设计方法，适用于可见光通信系统，包括：

依据朗伯辐射模型，可见光通信系统的通信模型y＝Hx+n和信号空间矩阵确定信号星座的光发送总功率约束条件为 $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

其中，y为接收信号矢量，H为信道矩阵，为发送信号矢量，n为零均值、协方差矩阵为的加性高斯白噪声矢量，N_t为所述可见光通信系统的灯源个数和N_r为所述可见光通信系统的接收端个数，M的取值为大于2的正整数，s_ji≥0，1≤i≤M，1≤j≤N_t；

基于所述通信模型发送训练序列估计所述可见光通信系统的信道矩阵H；

对所述信道矩阵H进行奇异值分解H＝UΛV^T，获取信道的特征参数矩阵Λ和V，其中，Λ＝diag{λ₁,λ₂}，λ₁≥λ₂≥0且λ₁≠0，λ₁、λ₂和为所述信道特征参数，由所述特征参数矩阵V的角度旋转效果可知信号星座点的可行域从第一象限旋转至第一和第二象限之间，获得角度旋转后的信号星座空间矩阵为

$G=V^{T}S=(g_1,g_2,\mathrm{...},g_M)=\left[\begin{array}{cccc}{g}_{11}& g_{12}& ...& g_{1M}\\ g_{21}& g_{22}& ...& g_{2M}\end{array}\right];$

基于所述角度旋转后的信号星座空间矩阵结合所述特征参数矩阵Λ，获取接收端任意两个星座点之间的待优化欧式距离，其表达式为 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2,$ 其中，1≤k＜l≤M；

在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布。

优选的，在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布，包括：

当所述信道特征参数λ₁≥λ₂＞0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行参数转换，得到星座点 $g_{1k}=\frac{D_{kl}{\mathrm{cos\α}}_{kl}}{{\mathrm{\λ}}_1}+g_{1l},$ 星座点 $g_{2k}=\frac{D_{kl}{\mathrm{cos\α}}_{kl}}{{\mathrm{\λ}}_2}+g_{2l},$ 其中，α_kl∈[-π,π]，1≤k＜l≤M；

将所述信号星座中的所有星座点用g₁表示，得到 ${g_k}^{\′}={(\frac{D_{k^{\′}1}{\mathrm{cos\α}}_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_1},\frac{D_{k^{\′}1}{\mathrm{sin\α}}_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_2})}^T+g_1=F_{k^{\′}1}+g_1,$ 其中，k′＝2,…,M；

基于所述信号星座中的星座点，得到当前所述可见光通信系统的第一非负性约束条件为 $\left\{\begin{array}{c}V{g}_1\≥0\\ V{g}_1\≥-V{F}_{k^{\′}1}\end{array}\right.,$ 其中，k′＝2,…,M；

基于所述信号星座中的星座点坐标，得到当前所述可见光通信系统的光发送总功率约束条件为其中，1₂表示长度为2的全1列矢量；

在所述第一非负性约束条件下，依据所述信号星座中的所有星座点，获取接收端任意两个星座点之间的第一优化欧式距离 $D_{k^{\′}l}^2=D_{k^{\′}1}^2+D_{l1}^2-2D_{k^{\′}1}{D}_{l1}cos({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_{l1}),$ 其中，2≤k′＜l≤M；

基于所述第一优化欧式距离 $D_{k^{\′}l}^2=D_{k^{\′}1}^2+D_{l1}^2-2D_{k^{\′}1}{D}_{l1}cos({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_{l1}),$ 确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁≥λ₂＞0，时的信号星座优化分布。

优选的，在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布，包括：

当所述信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行简化，得到 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2;$

使 $g_{11}=\underset{1\≤k\≤M}{\min }\left\{g_{1k}\right\},$ 根据所述 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2$ 得到所述信号星座中的星座点其中，k′＝2,…,M；

基于所述信号星座中的星座点 $g_{11}=\underset{1\≤k\≤M}{\min }\left\{g_{1k}\right\},g_{1k}=g_{11}+\frac{D_{k1}}{{\mathrm{\λ}}_1}$ 和初始非负性约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第二非负性约束条件为

在所述第二非负性约束条件下，依据所述信号星座中的星座点和获取接收端任意两个星座点之间的第二优化欧式距离其中，k′＝2,…,M， $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

基于所述第二优化欧式距离确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时的信号星座优化分布。

优选的，在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布，包括：

当所述信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行简化，得到 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2;$

使 $g_{11}=\underset{1\≤k\≤M}{\min }\left\{g_{1k}\right\},$ 对所述 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2$ 进行解析，得到所述信号星座中的其他星座点其中，k′＝2,…,M；

基于所述信号星座中的星座点 $g_{11}=\underset{1\≤k\≤M}{\min }\left\{g_{1k}\right\},g_{1k}=g_{11}+\frac{D_{k1}}{{\mathrm{\λ}}_1}$ 和初始非负性约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第三非负性约束条件为k＝1,…,M；

在所述第三非负性约束条件下，获取依据所述信号星座中的星座点和获取接收端任意两个星座点之间的第三优化欧式距离其中，k′＝2,…,M， $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

基于所述第三优化欧式距离确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时的信号星座优化分布。

一种可见光通信信号星座设计装置，适用于可见光通信系统，包括：

光发送总功率约束条件确定单元，用于依据朗伯辐射模型，可见光通信系统的通信模型y＝Hx+n和信号空间矩阵确定信号星座的光发送总功率约束条件为

其中，y为接收信号矢量，H为信道矩阵，为发送信号矢量，n为零均值、协方差矩阵为的加性高斯白噪声矢量，N_t为所述可见光通信系统的灯源个数和N_r为所述可见光通信系统的接收端个数，M的取值为大于2的正整数，s_ji≥0，1≤i≤M，1≤j≤N_t；

信道矩阵获取单元，用于基于所述通信模型发送训练序列估计所述可见光通信系统的信道矩阵H；

分解单元，用于对所述信道矩阵H进行奇异值分解H＝UΛV^T，获取信道的特征参数矩阵Λ和V，其中，Λ＝diag{λ₁,λ₂}，λ₁≥λ₂≥0且λ₁≠0，λ₁、λ₂和为所述信道特征参数，由所述特征参数矩阵V的角度旋转效果可知信号星座点可行域从第一象限旋转至第一和第二象限之间，获得角度旋转后的信号星座空间矩阵为

$G=V^{T}S=(g_1,g_2,\mathrm{...},g_M)=\left[\begin{array}{cccc}{g}_{11}& g_{12}& ...& g_{1M}\\ g_{21}& g_{22}& ...& g_{2M}\end{array}\right];$

待优化欧式距离获取单元，用于基于所述角度旋转后的信号星座空间矩阵结合所述特征参数矩阵Λ，获取接收端任意两个星座点之间的待优化欧式距离，其表达式为

$D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2,$ 其中，1≤k＜l≤M；

优化分布单元，用于在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布。

优选的，所述优化分布单元，包括：

参数转换模块，用于当所述信道特征参数λ₁≥λ₂＞0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行参数转换，得到星座点 $g_{1k}=\frac{D_{kl}{\mathrm{cos\α}}_{kl}}{{\mathrm{\λ}}_1}+g_{1l},$ 星座点 $g_{2k}=\frac{D_{kl}{\mathrm{cos\α}}_{kl}}{{\mathrm{\λ}}_2}+g_{2l},$ 其中，α_kl∈[-π,π]，1≤k＜l≤M；

星座点统一模块，用于将所述信号星座中的所有星座点用g₁表示，得到 ${g_k}^{\′}={(\frac{D_{k^{\′}1}{\mathrm{cos\α}}_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_1},\frac{D_{k^{\′}1}{\mathrm{sin\α}}_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_2})}^T+g_1=F_{k^{\′}1}+g_1,$ 其中，k′＝2,…,M；

第一非负性约束条件获取模块，用于基于所述信号星座中的星座点，得到当前所述可见光通信系统的第一非负性约束条件为 $\left\{\begin{array}{c}V{g}_1\≥0\\ V{g}_1\≥-V{F}_{k^{\′}1}\end{array}\right.,$ 其中，k′＝2,…,M；

光发送总功率约束条件获取模块，用于基于所述信号星座中的星座点坐标，得到当前所述可见光通信系统的光发送总功率约束条件为其中，1₂表示长度为2的全1列矢量；

第一优化欧式距离获取模块，用于在所述第一非负性约束条件下，依据所述信号星座中的所有星座点，获取接收端任意两个星座点之间的第一优化欧式距离 $D_{k^{\′}l}^2=D_{k^{\′}1}^2+D_{l1}^2-2D_{k^{\′}1}{D}_{l1}cos({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_{l1}),$ 其中，2≤k′＜l≤M；

第一优化分布模块，用于基于所述第一优化欧式距离 $D_{k^{\′}l}^2=D_{k^{\′}1}^2+D_{l1}^2-2D_{k^{\′}1}{D}_{l1}cos({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_{l1}),$ 确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁≥λ₂＞0，时的信号星座优化分布。

优选的，所述优化分布单元，包括：

第一简化单元，用于当所述信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行简化，得到 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2;$

星座点确认模块，用于使 $g_{11}=\underset{1\≤k\≤M}{\min }\left\{g_{1k}\right\},$ 对所述 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2$ 进行解析，得到所述信号星座中的其他星座点其中，k′＝2,…,M；

第二非负性约束条件获取模块，用于，基于所述信号星座中的星座点 $g_{11}=\underset{1\≤k\≤M}{\min }\left\{g_{1k}\right\},g_{1k}=g_{11}+\frac{D_{k1}}{{\mathrm{\λ}}_1}$ 和初始非负性约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第二非负性约束条件为

第二优化欧式距离获取模块，用于在所述第二非负性约束条件下，获取依据所述信号星座中的星座点和获取接收端任意两个星座点之间的第二优化欧式距离其中，k′＝2,…,M， $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

第二优化分布模块，用于基于所述第二优化欧式距离确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时的信号星座优化分布。

优选的，所述优化分布单元，包括：

第二简化单元，用于当所述信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行简化，得到 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2;$

星座点确认模块，用于使 $g_{11}=\underset{1\≤k\≤M}{\min }\left\{g_{1k}\right\},$ 对所述 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2$ 进行解析，得到所述信号星座中的其他星座点其中，k′＝2,…,M；

第三非负性约束条件获取模块，用于基于所述信号星座中的星座点和初始非负性约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第三非负性约束条件为

第三优化欧式距离获取模块，用于在所述第三非负性约束条件下，获取依据所述信号星座中的星座点和获取接收端任意两个星座点之间的第三优化欧式距离其中，k′＝2,…,M， $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

第三优化分布模块，用于基于所述第三优化欧式距离确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时的信号星座优化分布。

一种可见光通信系统，包括上述所述的可见光通信信号星座设计装置。

本申请实施例公开了一种可见光通信信号星座设计方法、装置及系统。本申请主要用于室内可见光通信系统，基于朗伯辐射模型创建的可见光通信系统的通信模型以及信号空间矩阵，并确定信号星座的光发送总功率；基于该通信模型发送训练序列估计信道矩阵，再通过对信道矩阵进行奇异值分解得到信道特征参数矩阵Λ和V，进一步获得信道特征参数λ₁、λ₂和其中，特征参数矩阵V的影响体现在将信号星座点进行角度旋转，基于角度旋转后的信号星座空间矩阵结合特征参数矩阵Λ，获取接收端任意两个星座点之间的待优化欧式距离，在信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对待优化欧式距离进行处理，获取不同情况下所对应的信号星座优化分布，从而实现最优的可见光通信系统的通信性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一公开的一种可见光通信信号星座设计方法的流程图；

图2为本申请实施例一公开的一种光通信系统的结构示意框图；

图3为本申请实施例二公开的一种可见光通信信号星座设计方法的流程图；

图4为本申请实施例三公开的一种可见光通信信号星座设计方法的流程图；

图5为本申请实施例四公开的一种可见光通信信号星座设计装置的结构示意框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

由背景技术可知，因现有技术中可见光通信信号仍采用传统无线电领域的脉冲幅度调制方式(PulseAmplitudeModulation，PAM)，则因为LED的单项导电性，导致可见光通信信号必须满足非负性要求。但是在现有技术中，人们只是通过对PAM信号进行直流偏置的叠加，来使光通信信号满足非负性的要求，然而采用这种方式其功率效率非常低下，从而无法最优化的实现系统通信性能。因此，本申请公开了一种可见光通信信号星座设计方案，利用室内可见光通信信道近似符合朗伯辐射模型的特点，在已知信道状态信息(信道特征参数)的条件下，依照信道条件对发送信号功率进行有效分配，在光发送总功率一定的约束条件下，根据系统状态或信道特征参数自动对信号星座的最优分布，即选择或实时调整最优的信号星座适应信道，从而实现最优的光通信系统的通信性能。

假设信息空间由M个符号构成，则在多灯源布局的条件下，对于每个符号，可以用不同的灯源发光组合来表示它。例如，以2盏灯传输“0”、“1”两个符号为例，可以用(1,0)^T来表示符号“1”。其中，1意味着第一盏灯发出强度为1的光，0表示第二盏灯不发光。同样，对于符号“0”，可以采用诸如(0,1)^T，(0,0)^T或(1,1)^T来表示。参照这种表示方法，一个符号对应着一个多维矢量。如果将这些矢量在多维坐标轴上标识出来，就可以获得本申请实施例中所提到的信号星座。基于此，本申请实施例所公开的可见光通信信号星座设计方案，具体通过以下实施例进行详细说明。

实施例一

如图1所示为本申请实施例一公开的一种可见光通信信号星座设计方法的流程图，该设计方法适用于光通信系统，尤其是室内光通信系统，在本申请实施例中以图2示出的拥有N_t个灯源和N_r个接收端的室内可见光通信系统为例，该设计方法主要包括以下步骤：

步骤S101，依据朗伯辐射模型，可见光通信系统的通信模型和信号空间矩阵，确定信号星座的光发送总功率约束条件；

在步骤S101中，基于本申请实施例提出的2×N_r的光通信系统的结构下通信模型如公式(3)所示：

y＝Hx+n(3)

其中，y为接收信号矢量，H为信道矩阵，为发送信号矢量，n为零均值、协方差矩阵为的加性高斯白噪声矢量，N_t为所述可见光通信系统的灯源个数和N_r为所述可见光通信系统的接收端个数；

信号空间矩阵可以标记为公式(4)：

其中，M的取值为大于2的正整数，中间列第i列矢量s_i表示第i个符号；

光发送总功率约束条件如公式(5)所示：

$P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji}---\left(5\right)$

其中，s_ji≥0，1≤i≤M，1≤j≤N_t；

在大信噪比的条件下，通信系统的误码性能主要取决于该接收信号星座点之间的欧式距离(Euclideandistance)，该欧式距离的表达式如公式(6)所示，因此下述进行最优化的信号星座的分布即最大程度的增加接收星座点之间的欧式距离，则需要对星座点之间的欧式距离执行相应的优化操作；

D_kl＝||Hs_k-Hs_l||₂(6)

其中，1≤k＜l≤M；

步骤S102，基于所述通信模型发送训练序列估计所述可见光通信系统的信道矩阵H；

步骤S103，对所述信道矩阵H进行奇异值分解H＝UΛV^T，获取信道的特征参数矩阵Λ和V；

在步骤S103中，对信道矩阵H进行奇异值分解后得到信道的特征参数矩阵Λ和V，其中，Λ＝diag{λ₁,λ₂}，λ₁≥λ₂≥0且λ₁≠0，也是所述信道矩阵H的奇异值；

上述信道特征参数矩阵Λ和V中的λ₁、λ₂和为信道特征参数。

上述特征参数矩阵V和V是信道对发送信号的影响，特征参数矩阵V影响信号星座进行角度上的旋转，特征参数矩阵V影响信号星座进行尺度上的放缩；

由所述特征参数矩阵V的角度旋转效果可知，旋转后的信号星座空间矩阵如公式(7)所示：

$G=V^{T}S=(g_1,g_2,\mathrm{...},g_M)=\left[\begin{array}{cccc}{g}_{11}& g_{12}& ...& g_{1M}\\ g_{21}& g_{22}& ...& g_{2M}\end{array}\right]---\left(7\right)$

通过G＝V^TS这一方式，将原先的信号星座点可行域从第一象限旋转到第一、二象限之间，获得角度旋转后的信号星座空间矩阵，能够有效回避了非负约束的影响，降低了分析的难度；

步骤S104，基于所述角度旋转后的信号星座空间矩阵结合所述特征参数矩阵Λ，获取接收端任意两个星座点之间的待优化欧式距离；

在步骤S104中，该待优化欧式距离的表达式如公式(8)所示：

$D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2---\left(8\right)$

其中，1≤k＜l≤M；

步骤S105，在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布。

在步骤S105中，针对公式(8)示出的待优化欧式距离的表达式，利用已知的信道特征参数λ₁、λ₂和在不同的取值范围下，结合非负性约束条件对其进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布，即通过执行步骤S105可以根据系统状态或信道参数自动对信号星座的最优分布，即在已知系统状态的情况下选择最优的信号星座，使其适应信道，或者在光通信系统的接收端移动的情况下，实时调整最优的信号星座使其适应信道。

本申请通过上述实施例一公开的可见光通信信号星座设计方案中，基于朗伯辐射模型创建的可见光通信系统的通信模型及获取该通信模型下的信号空间矩阵，并确定信号星座的光发送总功率；基于该通信模型发送训练序列估计信道矩阵，再通过对信道矩阵进行奇异值分解得到信道的特征参数矩阵Λ和V，进一步获得信道特征参数λ₁、λ₂和其中，信道特征参数矩阵V的影响体现在将信号星座点进行角度旋转，基于角度旋转后的信号星座空间矩阵结合特征参数矩阵Λ，获取接收端任意两个星座点之间的待优化欧式距离，在信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对待优化欧式距离进行处理，获取不同情况下所对应的信号星座优化分布，从而实现最优的光通信系统的通信性能。

实施例二

基于上述本申请实施例一公开可见光通信信号星座设计方法，如图1中示出的在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布的步骤S105，基于信道特征参数不同的取值范围，其所获取到的信号星座的优化分布有所不同，具体执行过程如下所示：

当所述可见光通信系统的信道特征参数λ₁≥λ₂＞0，时：

如图3所示，为本申请实施例二公开的信号星座的优化分布的流程示意图，主要包括如下步骤：

步骤S201，对公式(8)示出的所述待优化欧式距离进行参数转换，得到星座点g_1k，星座点g_2k；

在步骤S201中，得到的星座点g_1k如公式(9)所示：

$g_{1k}=\frac{D_{kl}{\mathrm{cos\α}}_{kl}}{{\mathrm{\λ}}_1}+g_{1l}---\left(9\right)$

其中，α_kl∈[-π,π]，1≤k＜l≤M；

星座点g_2k如公式(10)所示：

$g_{2k}=\frac{D_{kl}{\mathrm{cos\α}}_{kl}}{{\mathrm{\λ}}_2}+g_{2l}---\left(10\right)$

其中，α_kl∈[-π,π]，1≤k＜l≤M；

步骤S202，将所述信号星座中的所有星座点用g₁表示，得到公式(11)所示的星座点表达方式；

${g_k}^{\′}={(\frac{D_{k^{\′}1}{\mathrm{cos\α}}_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_1},\frac{D_{k^{\′}1}{\mathrm{sin\α}}_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_2})}^T+g_1=F_{k^{\′}1}+g_1---\left(11\right)$

其中，k′＝2,…,M；

步骤S203，基于所述信号星座中的星座点，得到当前所述可见光通信系统的第一非负性约束条件；

在步骤S103中，得到的第一非负性约束条件如公式(12)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Vg}}_1\≥0\\ {\mathrm{Vg}}_1\≥-{\mathrm{VF}}_{k^{\′}1}\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，k′＝2,…,M；

步骤S204，基于所述信号星座中的星座点坐标，得到当前所述可见光通信系统的光发送总功率约束条件，其中，1₂表示长度为2的全1列矢量；

在步骤S204中，基于当前所述可见光通信系统的需求，如照明的亮度要求，节能要求等，获取光发送总功率约束条件，利用步骤S202将所述信号星座中的所有星座点用g₁的表示方式，得到光发送总功率约束条件的表达式如公式(13)所示：

$P_T=1_2^{T}V({\mathrm{Mg}}_1+\underset{k-2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{k^{\′}1})---\left(13\right)$

需要说明的是，上述步骤S203和步骤S204并没有先后的执行顺序；

步骤S205，在所述第一非负约束条件下，依据所述信号星座中的所有星座点，获取接收端任意两个星座点之间的第一优化欧式距离；

在步骤S205中，基于执行上述步骤S202将所述信号星座中的所有星座点用g₁的表示方式，可以将当前所述非负约束条件下的待优化欧式距离(公式8)用{D_k1}及{α_k1}表示，因此可以获得如公式(14)所示的第一优化欧式距离：

$D_{k^{\′}l}^2=D_{k^{\′}1}^2+D_{l1}^2-2D_{k^{\′}1}{D}_{l1}cos({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_{l1})---\left(14\right)$

其中，2≤k′＜l≤M；

步骤S206，基于所述第一优化欧式距离，确定当前所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁≥λ₂＞0，时的信号星座优化分布。

在步骤S206中，该信号星座可以记为Z＝{g₁,D₂₁,…,D_M1,α₂₁,…,α_M1}，则此时的非负约束条件如公式(12)所示，原来公式(5)示出的光发送总功率约束条件则等价转换为公式(13)，公式(6)示出的欧式距离则等价转换为公式(14)，通过上述等价转换后得到的第一优化欧式距离能够根据系统状态或者在接收端移动时，自动选择或调整最优的信号星座，获得最适合当前信道状态的信号星座分布，从而实现最优的通信误码性能，进一步实现最优的通信性能。

当所述可见光通信系统的信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时，

如图4所示，为本申请实施例二公开的另一种信号星座的优化分布的流程示意图，主要包括如下步骤：

步骤S301，对公式(8)示出的所述待优化欧式距离进行简化，得到简化后的优化欧式距离；

在步骤S301中，简化后的优化欧式距离如公式(15)所示：

$D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2---\left(15\right)$

步骤S302，使根据公式(15)示出的简化后的优化欧式距离，得到所述信号星座中的星座点；

在步骤S302中，所述信号星座中的星座点如公式(16)所示：

$g_{1k}=g_{11}+\frac{D_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_1}---\left(16\right)$

其中，k′＝2,…,M；

步骤S303，基于所述信号星座中的星座点公式(16)示出的星座点和初始非负性约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第二非负性约束条件；

在步骤S303中，在执行上述步骤S302得到的星座点的基础上，同时考虑光通信系统的初始非负性约束条件，得到如公式(17)示出的经角度旋转后生成的新非负性约束条件，即当前所述可见光通信系统的第二非负性约束条件：

步骤S304，在所述第二非负性约束条件下，依据所述信号星座中的星座点和公式(16)示出的星座点，获取接收端任意两个星座点之间的第二优化欧式距离；

在步骤S304中，任意两个星座点之间的第二优化欧式距离如公式(18)所示：

其中，k′＝2,…,M， $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

步骤S305，基于公式(18)示出的所述第二优化欧式距离，确定当前所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时的信号星座优化分布。

在步骤S305中，原来公式(6)示出的欧式距离可以等价转换为公式(18)，通过上述等价转换后得到的第二优化欧式距离能够根据系统状态或者在接收端移动时，自动选择或调整最优的信号星座，获得最适合当前信道状态的信号星座分布，从而实现最优的通信误码性能，进一步实现最优的通信性能。

当所述可见光通信系统的信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时：

基于上述图4所示的一种信号星座的优化分布的流程示意图，在的情况下，前两个步骤相同，在后续的执行中有所不同，则执行步骤S306～步骤S308：

步骤S306，基于所述信号星座中的星座点公式(16)示出的星座点和初始非负性约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第三非负性约束条件；

在步骤S306中，在执行上述步骤S302得到的星座点的基础上，同时考虑可见光通信系统的初始非负性约束条件，得到如公式(19)示出的经角度旋转后生成的新非负性约束条件，即当前所述可见光通信系统的第三非负性约束条件：

步骤S307，在所述第三非负性约束条件下，获取依据所述信号星座中的星座点和公式(16)示出的星座点，获取接收端任意两个星座点之间的第三优化欧式距离；

在步骤S304中，任意两个星座点之间的第三优化欧式距离如公式(20)所示：

其中，k′＝2,…,M， $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

步骤S308，基于公式(20)示出的所述第二优化欧式距离，确定当前所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时的信号星座优化分布。

在步骤S305中，原来公式(6)示出的欧式距离可以等价转换为公式(20)，通过上述等价转换后得到的第三化欧式距离能够根据系统状态或者在接收端移动时，自动选择或调整最优的信号星座，获得最适合当前信道状态的信号星座分布，从而实现最优的通信误码性能，进一步实现最优的通信性能。

需要说明的是，在本文中，第一，第二等仅为了区别所经历的操作不同。

实施例三

基于上述本申请实施例一和实施例二公开的可见光通信信号星座设计方法，本申请实施例还对应公开了一种可见光通信信号星座设计装置，以及包括该可见光通信信号星座设计装置的可见光通信系统。具体结构如下所述。

如图5所述，为本申请实施例四公开的一种可见光通信信号星座设计装置10的结构示意框图，主要包括：光发送总功率约束条件确定单元11，信道矩阵获取单元12，分解单元13，待优化欧式距离获取单元14和优化分布单元15。

其中，光发送总功率约束条件确定单元11，用于依据朗伯辐射模型，可见光通信系统的通信模型y＝Hx+n和信号空间矩阵确定信号星座的光发送总功率约束条件为 $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

其中，y为接收信号矢量，H为信道矩阵，为发送信号矢量，n为零均值、协方差矩阵为的加性高斯白噪声矢量，N_t为所述可见光通信系统的灯源个数和N_r为所述可见光通信系统的接收端个数，M的取值为大于2的正整数，s_ji≥0，1≤i≤M，1≤j≤N_t；

信道矩阵获取单元12，用于基于所述通信模型发送训练序列估计所述可见光通信系统的信道矩阵H；

分解单元13，用于对所述信道矩阵H进行奇异值分解H＝UΛV^T，获取信道的特征参数矩阵Λ和V，其中，Λ＝diag{λ₁,λ₂}，λ₁≥λ₂≥0且λ₁≠0，λ₁、λ₂和为所述信道参数，由所述特征参数矩阵V的角度旋转效果可知信号星座点可行域的取值范围从第一象限旋转至第一和第二象限之间，获得角度旋转后的信号星座空间矩阵；

该角度旋转后的信号星座空间矩阵为：

$G=V^{T}S=(g_1,g_2,\mathrm{...},g_M)=\left[\begin{array}{cccc}{g}_{11}& g_{12}& ...& g_{1M}\\ g_{21}& g_{22}& ...& g_{2M}\end{array}\right];$

待优化欧式距离获取单元14，用于基于所述角度旋转后的信号星座空间矩阵结合所述特征参数矩阵Λ，获取接收端任意两个星座点之间的待优化欧式距离，其表达式为

$D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2,$ 其中，1≤k＜l≤M；

优化分布单元15，用于在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布。

在本申请实施例公开的技术方案中，优选的，上述优化分布单元包括：

参数转换模块，用于当所述可见光通信系统的信道参数λ₁≥λ₂＞0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行参数转换，得到星座点星座点其中，α_kl∈[-π,π]，1≤k＜l≤M；

星座点统一模块，用于将所述信号星座中的所有星座点用g₁表示，得到 ${g_k}^{\′}={(\frac{D_{k^{\′}1}{\mathrm{cos\α}}_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_1},\frac{D_{k^{\′}1}{\mathrm{sin\α}}_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_2})}^T+g_1=F_{k^{\′}1}+g_1,$ 其中，k′＝2,…,M；

第一非负性约束条件获取模块，用于基于所述信号星座中的星座点，得到当前所述可见光通信系统的第一非负性约束条件为 $\left\{\begin{array}{c}V{g}_1\≥0\\ V{g}_1\≥-V{F}_{k^{\′}1}\end{array}\right.,$ 其中，k′＝2,…,M；

光发送总功率约束条件获取模块，用于基于所述信号星座中的星座点坐标，得到当前所述可见光通信系统的光发送总功率约束条件为其中，1₂表示长度为2的全1列矢量；

第一优化欧式距离获取模块，用于在所述第一非负性约束条件下，依据所述信号星座中的所有星座点，获取接收端任意两个星座点之间的第一优化欧式距离 $D_{k^{\′}l}^2=D_{k^{\′}1}^2+D_{l1}^2-2D_{k^{\′}1}{D}_{l1}cos({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_{l1}),$ 其中，2≤k′＜l≤M；

第一优化分布模块，用于基于所述第一优化欧式距离 $D_{k^{\′}l}^2=D_{k^{\′}1}^2+D_{l1}^2-2D_{k^{\′}1}{D}_{l1}cos({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_{l1}),$ 确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁≥λ₂＞0，时的信号星座优化分布。

在本申请实施例公开的技术方案中，优选的，上述优化分布单元包括：

第一简化单元，用于当所述可见光通信系统的信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行简化，得到 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2;$

星座点确认模块，用于使对所述进行解析，得到所述信号星座中的其他星座点其中，k′＝2,…,M；

第二非负性约束条件获取模块，用于，基于所述信号星座中的星座点和初始非负性约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第二非负性约束条件为

第二优化欧式距离获取模块，用于在所述第二非负性约束条件下，获取依据所述信号星座中的星座点和获取接收端任意两个星座点之间的第二优化欧式距离其中，k′＝2,…,M， $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

第二优化分布模块，用于基于所述第二优化欧式距离确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时的信号星座优化分布。

在本申请实施例公开的技术方案中，优选的，上述优化分布单元包括：

第二简化单元，用于当所述光通信系统的信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行简化，得到 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2;$

星座点确认模块，用于使对所述进行解析，得到所述信号星座中的其他星座点其中，k′＝2,…,M；

第三非负性约束条件获取模块，用于基于所述信号星座中的星座点和初始非负性约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第三非负性约束条件为

第三优化欧式距离获取模块，用于在所述第三非负性约束条件下，获取依据所述信号星座中的星座点和获取接收端任意两个星座点之间的第三优化欧式距离其中，k′＝2,…,M， $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

第三优化分布模块，用于基于所述第三优化欧式距离确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时的信号星座优化分布。

综上所述，本申请公开了一种可见光通信信号星座设计方案，利用室内可见光通信信道近似符合朗伯辐射模型的特点，在已知信道特征参数的条件下，依照信道条件对发送信号功率进行有效分配，在光发送总功率一定的约束条件下，根据系统状态或信道特征参数自动对信号星座的最优分布，即选择或实时调整最优的信号星座适应信道，从而实现最优的可见光通信系统的通信性能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种可见光通信信号星座设计方法，其特征在于，适用于可见光通信系统，包括：

依据朗伯辐射模型，可见光通信系统的通信模型y＝Hx+n和信号空间矩阵确定信号星座的光发送总功率约束条件为 $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

其中，y为接收信号矢量，H为信道矩阵，为发送信号矢量，n为零均值、协方差矩阵为的加性高斯白噪声矢量，N_t为所述可见光通信系统的灯源个数和N_r为所述可见光通信系统的接收端个数，M的取值为大于2的正整数，s_ji≥0，1≤i≤M，1≤j≤N_t；

基于所述通信模型发送训练序列估计所述可见光通信系统的信道矩阵H；

对所述信道矩阵H进行奇异值分解H＝UΛV^T，获取信道的特征参数矩阵Λ和V，其中，Λ＝diag{λ₁,λ₂}，λ₁≥λ₂≥0且λ₁≠0，λ₁、λ₂和为所述信道特征参数，由所述特征参数矩阵V的角度旋转效果可知信号星座点的可行域从第一象限旋转至第一和第二象限之间，获得角度旋转后的信号星座空间矩阵为

$G=V^{T}S=(g_1,g_2,...,g_M)=\left[\begin{array}{cccc}{g}_{11}& g_{12}& ...& g_{1M}\\ g_{21}& g_{22}& ...& g_{2M}\end{array}\right];$

基于所述角度旋转后的信号星座空间矩阵结合所述特征参数矩阵Λ，获取接收端任意两个星座点之间的待优化欧式距离，其表达式为 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2,$ 其中，1≤k＜l≤M；

在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布，包括：

当所述信道特征参数λ₁≥λ₂＞0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行参数转换，得到星座点 $g_{1k}=\frac{D_{kl}{\mathrm{cos\α}}_{kl}}{{\mathrm{\λ}}_1}+g_{1l},$ 星座点 $g_{2k}=\frac{D_{kl}{\mathrm{cos\α}}_{kl}}{{\mathrm{\λ}}_2}+g_{2l},$ 其中，α_kl∈[-π,π]，1≤k＜l≤M；

将所述信号星座中的所有星座点用g₁表示，得到 ${g_k}^{\′}={(\frac{D_{k^{\′}1}{\mathrm{cos\α}}_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_1},\frac{D_{k^{\′}1}{\mathrm{sin\α}}_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_2})}^T+g_1=F_{k^{\′}1}+g_1,$ 其中，k′＝2,…,M；

基于所述信号星座中的星座点，得到当前所述可见光通信系统的第一非负性约束条件为 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Vg}}_1\≥0\\ {\mathrm{Vg}}_1\≥-{\mathrm{VF}}_{k^{\′}1}\end{array}\right.,$ 其中，k′＝2,…,M；

基于所述信号星座中的星座点坐标，得到当前所述可见光通信系统的光发送总功率约束条件为其中，1₂表示长度为2的全1列矢量；

在所述第一非负性约束条件下，依据所述信号星座中的所有星座点，获取接收端任意两个星座点之间的第一优化欧式距离 $D_{k^{\′}l}^2=D_{k^{\′}1}^2+D_{l1}^2-2D_{k^{\′}1}{D}_{l1}cos({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_{l1}),$ 其中，2≤k′＜l≤M；

基于所述第一优化欧式距离 $D_{k^{\′}l}^2=D_{k^{\′}1}^2+D_{l1}^2-2D_{k^{\′}1}{D}_{l1}cos({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_{l1}),$ 确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁≥λ₂＞0，时的信号星座优化分布。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布，包括：

当所述信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行简化，得到 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2;$

使 $g_{11}=\underset{1\≤k\≤M}{min}\left\{g_{1k}\right\},$ 根据所述 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2$ 得到所述信号星座中的星座点其中，k′＝2,…,M；

基于所述信号星座中的星座点和初始非负性约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第二非负性约束条件为

在所述第二非负性约束条件下，依据所述信号星座中的星座点和获取接收端任意两个星座点之间的第二优化欧式距离其中，k′＝2,…,M， $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

基于所述第二优化欧式距离确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时的信号星座优化分布。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布，包括：

当所述信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行简化，得到 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2;$

使 $g_{11}=\underset{1\≤k\≤M}{min}\left\{g_{1k}\right\},$ 对所述 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2$ 进行解析，得到所述信号星座中的其他星座点其中，k′＝2,…,M；

基于所述信号星座中的星座点和初始非负性约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第三非负性约束条件为

在所述第三非负性约束条件下，获取依据所述信号星座中的星座点和获取接收端任意两个星座点之间的第三优化欧式距离其中，k′＝2,…,M， $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

基于所述第三优化欧式距离确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时的信号星座优化分布。

5.一种可见光通信信号星座设计装置，其特征在于，适用于可见光通信系统，包括：

光发送总功率约束条件确定单元，用于依据朗伯辐射模型，可见光通信系统的通信模型y＝Hx+n和信号空间矩阵确定信号星座的光发送总功率约束条件为

其中，y为接收信号矢量，H为信道矩阵，为发送信号矢量，n为零均值、协方差矩阵为的加性高斯白噪声矢量，N_t为所述可见光通信系统的灯源个数和N_r为所述可见光通信系统的接收端个数，M的取值为大于2的正整数，s_ji≥0，1≤i≤M，1≤j≤N_t；

信道矩阵获取单元，用于基于所述通信模型发送训练序列估计所述可见光通信系统的信道矩阵H；

分解单元，用于对所述信道矩阵H进行奇异值分解H＝UΛV^T，获取信道的特征参数矩阵Λ和V，其中，Λ＝diag{λ₁,λ₂}，λ₁≥λ₂≥0且λ₁≠0，λ₁、λ₂和为所述信道特征参数，由所述特征参数矩阵V的角度旋转效果可知信号星座点可行域从第一象限旋转至第一和第二象限之间，获得角度旋转后的信号星座空间矩阵为

$G=V^{T}S=(g_1,g_2,...,g_M)=\left[\begin{array}{cccc}{g}_{11}& g_{12}& ...& g_{1M}\\ g_{21}& g_{22}& ...& g_{2M}\end{array}\right];$

待优化欧式距离获取单元，用于基于所述角度旋转后的信号星座空间矩阵结合所述特征参数矩阵Λ，获取接收端任意两个星座点之间的待优化欧式距离，其表达式为

$D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2,$ 其中，1≤k＜l≤M；

优化分布单元，用于在所述信道特征参数λ₁、λ₂和的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述优化分布单元，包括：

参数转换模块，用于当所述信道特征参数λ₁≥λ₂＞0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\right(g_{2k}-g_{2l}\left)\right)}^2$ 进行参数转换，得到星座点 $g_{1k}=\frac{D_{kl}{\mathrm{cos\α}}_{kl}}{{\mathrm{\λ}}_1}+g_{1l},$ 星座点 $g_{2k}=\frac{D_{kl}{\mathrm{cos\α}}_{kl}}{{\mathrm{\λ}}_2}+g_{2l},$ 其中，α_kl∈[-π,π]，1≤k＜l≤M；

星座点统一模块，用于将所述信号星座中的所有星座点用g₁表示，得到 ${g_k}^{\′}={(\frac{D_{k^{\′}1}{\mathrm{cos\α}}_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_1},\frac{D_{k^{\′}1}{\mathrm{sin\α}}_{k^{\′}1}}{{\mathrm{\λ}}_2})}^T+g_1=F_{k^{\′}1}+g_1,$ 其中，k′＝2,…,M；

第一非负性约束条件获取模块，用于基于所述信号星座中的星座点，得到当前所述可见光通信系统的第一非负性约束条件为 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Vg}}_1\≥0\\ {\mathrm{Vg}}_1\≥-{\mathrm{VF}}_{k^{\′}1}\end{array}\right.,$ 其中，k′＝2,…,M；

光发送总功率约束条件获取模块，用于基于所述信号星座中的星座点坐标，得到当前所述可见光通信系统的光发送总功率约束条件为其中，1₂表示长度为2的全1列矢量；

第一优化欧式距离获取模块，用于在所述第一非负性约束条件下，依据所述信号星座中的所有星座点，获取接收端任意两个星座点之间的第一优化欧式距离 $D_{k^{\′}l}^2=D_{k^{\′}1}^2+D_{l1}^2-2D_{k^{\′}1}{D}_{l1}cos({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_{l1}),$ 其中，2≤k′＜l≤M；

第一优化分布模块，用于基于所述第一优化欧式距离 $D_{k^{\′}l}^2=D_{k^{\′}1}^2+D_{l1}^2-2D_{k^{\′}1}{D}_{l1}cos({\mathrm{\α}}_{k1}-{\mathrm{\α}}_{l1}),$ 确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁≥λ₂＞0，时的信号星座优化分布。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述优化分布单元，包括：

第一简化单元，用于当所述信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\left(g_{2k}-g_{2l}\right)\right)}^2$ 进行简化，得到 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2;$

星座点确认模块，用于使 $g_{11}=\underset{1\≤k\≤M}{min}\left\{g_{1k}\right\},$ 对所述 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2$ 进行解析，得到所述信号星座中的其他星座点其中，k′＝2,…,M；

第二非负性约束条件获取模块，用于，基于所述信号星座中的星座点和初始非负性约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第二非负性约束条件为

第二优化欧式距离获取模块，用于在所述第二非负性约束条件下，获取依据所述信号星座中的星座点和获取接收端任意两个星座点之间的第二优化欧式距离其中，k′＝2,…,M， $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

第二优化分布模块，用于基于所述第二优化欧式距离确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时的信号星座优化分布。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述优化分布单元，包括：

第二简化单元，用于当所述信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时，对所述待优化欧式距离 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2+{\left({\mathrm{\λ}}_2\left(g_{2k}-g_{2l}\right)\right)}^2$ 进行简化，得到 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2;$

星座点确认模块，用于使 $g_{11}=\underset{1\≤k\≤M}{min}\left\{g_{1k}\right\},$ 对所述 $D_{kl}^2={\left({\mathrm{\λ}}_1\right(g_{1k}-g_{1l}\left)\right)}^2$ 进行解析，得到所述信号星座中的其他星座点其中，k′＝2,…,M；

第三非负性约束条件获取模块，用于基于所述信号星座中的星座点和初始非负性约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第三非负性约束条件为

第三优化欧式距离获取模块，用于在所述第三非负性约束条件下，获取依据所述信号星座中的星座点和获取接收端任意两个星座点之间的第三优化欧式距离其中，k′＝2,…,M， $P_T=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\Σ}}{s}_{ji};$

第三优化分布模块，用于基于所述第三优化欧式距离确定所述可见光通信系统中信道特征参数λ₁＞λ₂＝0，时的信号星座优化分布。

9.一种可见光通信系统，其特征在于，包括权利要求5～8中任意一项所述的可见光通信信号星座设计装置。