CN106130635A - 一种基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法，首先产生随机的可见光通信系统中初始联合星座图矢量；在约束条件下得到优化的联合星座图矢量与星座图空间距离；当无解或者优化步数超过设定值或者两步之间的星座图变化小于阈值时，判断随机初始值次数是否超过设定值；若超过设定值，则获得所有优化解中的最优解，得到优化处理后的星座图。上述处理方法可以在满足约束条件的同时，最大化星座图点之间的最小欧氏距离，从而降低误码率，提高可见光通信系统的整体性能。

Description

一种基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法。

背景技术

目前，可见光通信近年来受到广泛的关注，利用绿色环保节能的发光二极管(LED)，能够在满足在照明的同时提供高速的无线通信服务。相比于蓝色发光二极管的照明模式，利用红绿蓝三色发光二极管，能够提供更高的传输速率；IEEE 802.15.7协议中提出色移键控(color shift keying)作为为多色发光二极管可见光通信的调制方式。

但现有技术中虽然色移键控可以有效地提供高速通信，但缺乏对星座图的解决方案，使得误码率不能达到理想的效果，影响了可见光通信系统的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法，该处理方法可以在满足约束条件的同时，最大化星座图点之间的最小欧氏距离，从而降低误码率，提高可见光通信系统的整体性能。

一种基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法，所述方法包括：

步骤1、首先产生随机的可见光通信系统中初始联合星座图矢量；

步骤2、在约束条件下得到优化的联合星座图矢量与星座图空间距离；

步骤3、当无解或者优化步数超过设定值或者两步之间的星座图变化小于阈值时，判断随机初始值次数是否超过设定值；

步骤4、若超过设定值，则获得所有优化解中的最优解，得到优化处理后的星座图。

所述优化的联合星座图矢量表示为：

其中每个s_i是可见光通信系统星座图中第i个符号，J_i＝[O₃…I₃…O₃]是第i个单元为单位阵，其余为零的8×3的选择矩阵；O₃是元素全为零的3×3零矩阵；I₃是对角元为一，其余元素为零的3×3单位阵；上标“T”表示矩阵或向量的转置。

所述约束条件包括：星座图空间距离小于星座图的最小欧氏距离、人眼感受到的光平均强度和颜色为特定值以及发光二极管的发光功率在其线性范围内。

所述星座图空间距离小于星座图的最小欧氏距离，具体包括：

所述星座图空间距离小于任意两星座图点的欧氏距离，表示为：

$d\≤h_l^{\left(0\right)}\left(s_T\right),$

其中，是星座点欧氏距离的近似表示，由星座点欧氏距离一阶泰勒展开得到；是优化程序中随机的初始点或者上一步到达的点；l是关于第p个星座点和第q个星座点序号的函数，表示为：

$1\&cong;8(p-1)-p(p+1)/2+q,p,q\&Element;1,2,\mathrm{...},8,p<q;$

上述公式中，F_l、E_pq、E_p是计算星座点欧氏距离的中间变量；

F_l(p，q)＝E_pq，

是第p个分量为1，其余分量为0的向量；I₃为3×3的单位阵，此处为克罗内克积。

所述人眼感受到的光平均强度和颜色为特定值，具体表示为：

$\stackrel{\&OverBar;}{J}{P}_T^{*}{s}_T=s_3,$

其中 是预均衡矩阵，s₃是目标颜色向量。

所述发光二极管的发光功率在其线性范围内，具体表示为：

$max\left(K_j{P}_T^{*}{s}_T\right)<V_{U,j}$

$\min \left(K_j{P}_T^{*}{s}_T\right)>V_{L,j},\&ForAll;j;$

其中K_j＝8×24的第j盏灯的选择矩阵，表示元素的最大值，表示的最小值，V_U，j和V_L，j是第j盏灯的线性范围的上下限，表示对任意j该不等式均成立，j从1取到8。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述处理方法可以在满足约束条件的同时，最大化星座图点之间的最小欧氏距离，从而降低误码率，提高可见光通信系统的整体性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所述基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法流程示意图；

图2为本发明实例中绿光发光二极管的伏安特性曲线示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所述基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法流程示意图，所述处理方法包括：

步骤1、首先产生随机的可见光通信系统中初始联合星座图矢量；

步骤2、在约束条件下得到优化的联合星座图矢量与星座图空间距离；

在该步骤中，所述优化的联合星座图矢量表示为：

其中每个s_i是星座图中第i个符号，i＝1,2,...,8，J_i＝[O₃…I₃…O₃]是第i个单元为单位阵，其余为零的8×3的选择矩阵；O₃是元素全为零的3×3零矩阵；I₃是对角元为一，其余元素为零的3×3单位阵；上标“T”表示矩阵或向量的转置。

而星座图空间距离表示为d，本申请的目标函数为最大化星座图空间的距离d。

上述约束条件包括：星座图空间距离小于星座图的最小欧氏距离、人眼感受到的光平均强度和颜色为特定值以及发光二极管的发光功率在其线性范围内。具体来说：

1)所述星座图空间距离小于星座图的最小欧氏距离具体包括：

所述星座图空间距离小于任意两星座图点的欧氏距离，表示为：

$d\&le;h_l^{\left(0\right)}\left(s_T\right),$

其中是星座点欧氏距离的近似表示，由星座点欧氏距离一阶泰勒展开得到，是优化程序中随机的初始点或者上一步到达的点；l是关于第p个星座点和第q个星座点序号的函数，表示为：

$1\&cong;8(p-1)-p(p+1)/2+q,p,q\&Element;1,2,\mathrm{...},8,p<q$

上述公式中，F_l、E_pq、E_p是计算星座点欧氏距离的中间变量，F_l(p，q)＝E_pq， 是第p个分量为1，其余分量为0的向量，I₃为3×3的单位阵，此处为克罗内克积。

2)所述人眼感受到的光平均强度和颜色为特定值，具体表示为：

$\stackrel{\&OverBar;}{J}{P}_T^{*}{s}_T=s_3,$

其中 是预均衡矩阵，s₃是目标颜色向量。

3)所述发光二极管的发光功率在其线性范围内，具体表示为：

$max\left(K_j{P}_T^{*}{s}_T\right)<V_{U,j}$

$\min \left(K_j{P}_T^{*}{s}_T\right)>V_{L,j},\&ForAll;j$

其中，K_j＝8×24的第j盏灯(j从1取到8)的选择矩阵，表示元素的最大值，表示的最小值，V_U，j和V_L，j是第j盏灯的线性范围的上下限，表示对任意j该不等式均成立。

步骤3、当无解或者优化步数超过设定值或者两步之间的星座图变化小于阈值时，判断随机初始值次数是否超过设定值；

在该步骤中，无解指该优化问题的约束条件矛盾，不存在可行解；

在开始优化程序之前会设定一个最大优化步数，初始优化步数为零，每进行一次优化，优化步数加一，直到超过最大优化步数；

每次优化能得到一个最优的星座图，表示为一24维向量，两步之间星座图的变化由两步得到的24维向量的差值的模长表示。

步骤4、若超过设定值，则获得所有优化解中的最优解，得到优化处理后的星座图。

下面以具体的实例对上述处理方法的过程进行详细说明：

实例1、针对滤光片的不完全滤波导致的颜色间干扰进行的星座图设计，具体表示为：

$\underset{s_T,d}{\max }d$

$\begin{array}{cc}s.t& \stackrel{\&OverBar;}{J}{P}_T^{*}{s}_T=s_3\end{array}$

$\begin{array}{cc}{h}_l^{\left(0\right)}\left(s_T\right)\&GreaterEqual;d& \&ForAll;l\end{array}$

$max\left(K_j{P}_T^{*}{s}_T\right)<V_{U,j}$

$\min \left(K_j{P}_T^{*}{s}_T\right)>V_{L,j},\&ForAll;j;$

其中，实际优化中使用的目标颜色和目标强度为s₃＝[9，9，9]。

如图2所示为本发明实例中绿光发光二极管的伏安特性曲线示意图，近似地，三盏灯的线性范围均设定为6-12V，即V_U，j＝12，V_L，j＝6，滤光片颜色间干扰导致的信道矩阵表示为：

$H=\left(\begin{array}{ccc}0.9& 0.1& 0\\ 0.1& 0.8& 0.1\\ 0& 0.1& 0.9\end{array}\right)$

再利用奇异值分解，H＝USV^H，其中，U和V都是酉矩阵，S是对角阵，预均衡为P＝VS^-1，I₈是8×8的单位阵，表示克罗内克积。

在该实例1中，利用Matlab的CVX工具箱进行优化问题的求解，优化步数的上限设置为100，星座图模值变化的阈值设置为0.001，随机初始值次数设定为10次，根据上述方法实施例中步骤1-4的处理步骤，最终优化处理后得到的星座图为：

$\begin{array}{c}s\\ =\left[\begin{array}{cccccccc}-13.6232& -17.5537& -13.6232& -17.5537& -10.3923& -14.3228& -20.7846& -16.8541\\ 3.5613& -3.5613& -3.5613& 3.5613& 0& 0& 0& 0\\ 1.5992& -1.5992& 1.5992& -1.5992& 0& -3.1984& 0& 3.1984\end{array}\right]\end{array}$

实例2、该实例针对采用反射式照明的照明方式进行的星座图处理，具体表示为：

$\underset{s_T,d}{\max }d$

$\begin{array}{cc}s.t& \mathrm{\&eta;}\stackrel{\&OverBar;}{J}{P}_T^{*}{s}_T=s_3\end{array}$

$\begin{array}{cc}{h}_l^{\left(0\right)}\left(s_T\right)\&GreaterEqual;d& \&ForAll;l\end{array}$

$max\left(K_j{P}_T^{*}{s}_T\right)<V_{U,j}$

$\min \left(K_j{P}_T^{*}{s}_T\right)>V_{L,j},\&ForAll;j;$

由于在这照明方式下，人眼观察到的不再是从光源直接发出的光，而是经过界面发生反射之后的光，因此在实例1中颜色的约束条件中再乘上了反射矩阵这里假设反射界面对红光的反射率大于绿光的反射率大于蓝光的反射率，同时预均衡矩阵表示为：

$P^{*}=P\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1/0.9& 0\\ 0& 0& 1/0.8\end{array}\right)$

其余参数的设置与实例1中的相同，则最终优化处理后得到的星座图表示为：

$\begin{array}{c}s\\ =\left[\begin{array}{cccccccc}-16.4057& -18.5669& -16.3033& -14.1638& -18.8136& -20.7846& -16.3708& -18.3069\\ -0.8514& 0& -3.4365& -3.4365& -1.9553& 0& -3.4365& 1.029\\ -1.7340& 1.7539& 1.1283& 1.1283& -0.7805& 0& -0.6196& -0.8534\end{array}\right]\end{array}$

综上所述，本发明实施例所提供的处理方法可以在满足约束条件的同时，最大化星座图点之间的最小欧氏距离，从而降低误码率，提高可见光通信系统的整体性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、首先产生随机的可见光通信系统中初始联合星座图矢量；

步骤2、在约束条件下得到优化的联合星座图矢量与星座图空间距离；

步骤3、当无解或者优化步数超过设定值或者两步之间的星座图变化小于阈值时，判断随机初始值次数是否超过设定值；

步骤4、若超过设定值，则获得所有优化解中的最优解，得到优化处理后的星座图。

2.根据权利要求1所述基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法，其特征在于，

所述优化的联合星座图矢量表示为：

其中每个s_i是可见光通信系统星座图中第i个符号，J_i＝[O₃…I₃…O₃]是第i个单元为单位阵，其余为零的8×3的选择矩阵；O₃是元素全为零的3×3零矩阵；I₃是对角元为一，其余元素为零的3×3单位阵；上标“T”表示矩阵或向量的转置。

3.根据权利要求1所述基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法，其特征在于，

所述约束条件包括：星座图空间距离小于星座图的最小欧氏距离、人眼感受到的光平均强度和颜色为特定值以及发光二极管的发光功率在其线性范围内。

4.根据权利要求3所述基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法，其特征在于，所述星座图空间距离小于星座图的最小欧氏距离，具体包括：

所述星座图空间距离小于任意两星座图点的欧氏距离，表示为：

$d\&le;h_l^{\left(0\right)}\left(s_T\right),$

其中，是星座点欧氏距离的近似表示，由星座点欧氏距离一阶泰勒展开得到；是优化程序中随机的初始点或者上一步到达的点；l是关于第p个星座点和第q个星座点序号的函数，表示为：

$1\&cong;8(p-1)-p(p+1)/2+q,p,q\&Element;1,2,...,8,p<q;$

上述公式中，F_l、E_pq、E_p是计算星座点欧氏距离的中间变量；

F_1(p，q)＝E_pq，

是第p个分量为1，其余分量为0的向量；I₃为3×3的单位阵，此处为克罗内克积。

5.根据权利要求3所述基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法，其特征在于，所述人眼感受到的光平均强度和颜色为特定值，具体表示为：

$\stackrel{\&OverBar;}{J}{P}_T^{*}{s}_T=s_3,$

其中 是预均衡矩阵，s₃是目标颜色向量。

6.根据权利要求3所述基于色移键控的可见光通信系统中星座图的处理方法，其特征在于，所述发光二极管的发光功率在其线性范围内，具体表示为：

$max\left(K_j{P}_T^{*}{s}_T\right)<V_{U,j}$

$min\left(K_j{P}_T^{*}{s}_T\right)>V_{L,j},\&ForAll;j;$

其中K_j＝8×24的第j盏灯的选择矩阵，表示元素的最大值，表示的最小值，V_U，j和V_L，j是第j盏灯的线性范围的上下限，表示对任意j该不等式均成立，j从1取到8。