CN107040313B - 一种基于系数分离的多输入多输出可见光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于系数分离的多输入多输出可见光通信系统，在发射端，LED被分为两组，第一组发射双极性脉冲幅度调制信号的正数部分，第二组发射双极性脉冲幅度调制信号的负数部分的绝对值；在接收端，采用计算复杂度低的新颖的接收机，接收机利用发射信号的特性，先估计发射的双极性脉冲幅度调制信号的绝对值，然后估计发射的双极性脉冲幅度调制信号的极性，最终得到双极性脉冲幅度调制信号的估计。本发明中提出的正负系数分离的多输入多输出可见光通信系统具有计算复杂度低、性能优等特点。

Description

一种基于系数分离的多输入多输出可见光通信系统

技术领域

本发明属于无线通信技术，具体涉及一种基于系数分离的多输入多输出可见光通信系统。

背景技术

可见光通信已经受到了越来越多的关注，是传统射频无线通信的一种很好的补充。可见光通信一般采用强度调制、直接检测技术，这就意味着发射信号是非负的光功率信号。

多输入多输出可以提供空分复用增益和分集增益。多输入多输出技术已经使用到可见光通信系统中用于克服LED调制带宽受限的缺点。但是，多输入多输出可见光通信的空间子信道相关性较强。多输入多输出可见光通信中的空分复用增益已经得到了研究，用于提供系统的频谱利用率。利用Alamouti编码，多输入多输出可见光通信中的分集增益也得到了研究。

由于多输入多输出可见光通信信道的特性，在某些信道条件下，空分复用增益或者分集增益不能获得最优的性能。空间调制是另一种获得多天线增益的方式。在无线光通信中，空间调制也得到了研究。空间光调制的发射机很简单，但是最优接收机的复杂度太高。如何降低空间光调制的接收复杂度是非常关键的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于系数分离的多输入多输出可见光通信系统。

技术方案：本发明所述的一种基于系数分离的多输入多输出可见光通信系统，包括发射机和接收机，所述发射机配置有n_t个LED且分为两组，第一组具有n₁个LED发射双极性脉冲幅度调制PAM信号正数部分，第二组具有n₂个LED发射双极性PAM信号负数部分的绝对值，两组LED的数量可以任意分配；所述接收机配置有n_r个PD。

进一步的，从第j组的第l个LED到第k个PD的信道的冲激响应可以表示为：

其中，对于第一组LED，则1≤l≤n₁，对于第二组LED，则1≤l≤n₂；j等于1或2,k∈[1,n_r],A_r,k表示第k个PD的接收面积，D_k,(j,l)表示从第j组的第l个LED到第k个PD的距离，m_(j,l)是辐射阶数，与发射LED半角有关，m_(j,l)＝-ln2/ln(cosΦ_1/2,(j,l))，Φ_1/2,(j,l)为第j组的第l个LED的半功率角，φ_k,(j,l)和为从第j组的第l个LED到第k个PD的出射角和入射角，T_k(·)和G_k(·)分别为第k个PD的光滤波器增益和聚焦器增益，Ψ_k是第k个PD的可视角。

进一步的，在离散时间域，输入至第一组LED的信号表示为：

s₁(n)＝(x(n))⁺＝(x(n)+|x(n)|)/2 (2)

其中x(n)为双极性PAM信号，(a)⁺＝max{0,a}，a为实数；

输入至第二组LED的信号表示为：s₂(n)＝(-x(n))⁺＝(-x(t)+|x(t)|)/2 (3)

因此，输入至第j组的第l个LED的信号可以表示为：

s_(j,l)(n)＝β_(j,l)s_j(n) (4)

其中，β_(j,l)为第j组的第l个LED的光域功率分配系数；通过公式(2)和(3)的操作，双极性PAM信号的极性就被映射到LED组的索引上；

在离散时间域，接收端的接收信号表示为：

其中，w_k(n)是第k个PD上的均值为0，方差为的噪声分量；那么，接收向量可以表示为：

其中[·]^T表示转置，定义信道矩阵

H＝[h₁,h₂] (7)。

进一步的，所述双极性PAM信号的正数部分和负数部分分别被第一组和第二组LED发送，传统的双极性PAM的星座点α_traditional表示为：

其中M为PAM的调制阶数，正数信号和负数信号之间的最小欧氏距离也是2d；

基于系数分离系统，调制星座点被重新设计为：

α_proposed＝α_traditional+B·sign{α_traditional}·d (9)

其中，参数B是用于控制正数信号和负数信号之间的最小欧氏距离，重新设计的双极性PAM星座点则为：

此处，正数信号和负数信号之间的最小欧氏距离为2(B+1)d，相邻点间的最小欧式距离仍为2d。

进一步的，基于所述重新设计的双极性PAM星座图，接收端的星座为：

假设向量h₁和h₂之间的夹角为θ，在h₁/||h₁||方向上，相邻点之间的最小欧氏距离为2d||h₁||；在h₂/||h₂||方向上，相邻点之间的最小欧氏距离为2d||h₂||；h₁/||h₁||方向上的星座点与h₂/||h₂||方向上的星座点之间的最小欧氏距离为：

D_PN＝||h₁-h₂||(1+B)d (11)

为使最小欧式距离最大化，星座点的设计应满足如下条件：

D_PN＝min{2d||h₁||,2d||h₂||} (12)

因此，得到使最小欧式距离最大化的B为

进一步的，根据公式(2)和(3)的发射信号的特性，所述接收端的接收信号重新被表示为：

其中，

因为h₁和h₂的元素均为非负数，并且h₁和h₂一般是相关的，所以下面的不等式成立：

||h₁-h₂||<||h₁+h₂|| (15)

所以，先对|x(n)|进行估计：

使用线性最小均方误差算法对|x(n)|进行估计，|x(n)|的估计表示为：

其中为秩为n_r的单位矩阵，因为|x(n)|为M-PAM符号的绝对值，所以把量化到最近的PAM星座点，表示为m(n)，也就是

其中μ为M-PAM的星座点，消除|x(n)|在接收向量y(n)上的作用，得到新的向量p(n)定义为：

如果|x(n)|被正确估计，p(n)重新表示为：

p(n)＝h₂x(n)+w(n) (19)

可以采用最大比合并对x(n)的极性进行估计，x(n)的极性的估计表示为：

其中sign{·}表示极性函数，x(n)的估计表示为：

有益效果：本发明在发射端，LED被分为两组，第一组发射双极性脉冲幅度调制信号的正数部分，第二组发射双极性脉冲幅度调制信号的负数部分的绝对值；在接收端，本发明提出了一种计算复杂度低的新颖的接收机，本发明既能够保证强度调制、直接检测可见光通信系统中发射为非负的要求，解决空间光调制计算复杂度高的问题，还有效提高系统的误比特率性能，并且具有较低的计算复杂度。

附图说明

图1为本发明的内部结构框图；

图2为星座示意图；

图3为实施例的中室内MIMO可见光通信模型；

图4为实施例中各自不同方式的误比特率性能的比较示意图；

图5为正负系数分离方法在不同的参数B条件下的误比特率性能示意图；

其中，图1(a)为发射机框图，图1(b)为接收机框图；图2(a)位传统的双极性PAM示意图；图2(b)本发明中设计的双极性PAM示意图；图2(c)为基于本发明设计的双极性PAM的接收信号示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1和图2所示，本发明所述的一种基于系数分离的多输入多输出可见光通信系统，包括发射机和接收机，所述发射机配置有n_t个LED且分为两组，第一组具有n₁个LED发射双极性脉冲幅度调制PAM信号正数部分，第二组具有n₂个LED发射双极性PAM信号负数部分的绝对值；所述接收机配置有n_r个PD。

进一步的，从第j组的第l个LED到第k个PD的信道的冲激响应可以表示为：

其中，j等于1或2,k∈[1,n_r],A_r,k表示第k个PD的接收面积，D_k,(j,l)表示从第j组的第l个LED到第k个PD的距离，m_(j,l)是辐射阶数，与发射LED半角有关，m_(j,l)＝-ln2/ln(cosΦ_1/2,(j,l))，Φ_1/2,(j,l)为第j组的第l个LED的半功率角，φ_k,(j,l)和为从第j组的第l个LED到第k个PD的出射角和入射角，T_k(·)和G_k(·)分别为第k个PD的光滤波器增益和聚焦器增益，Ψ_k是第k个PD的可视角。

在离散时间域，输入至第一组LED的信号表示为：

s₁(n)＝(x(n))⁺＝(x(n)+|x(n)|)/2 (2)

其中x(n)为双极性PAM信号，(a)⁺＝max{0,a}，a为实数；

输入至第二组LED的信号表示为：s₂(n)＝(-x(n))⁺＝(-x(t)+|x(t)|)/2. (3)

因此，输入至第j组的第l个LED的信号可以表示为：

s_(j,l)(n)＝β_(j,l)s_j(n) (4)

其中，β_(j,l)为第j组的第l个LED的光域功率分配系数；通过公式(2)和(3)的操作，双极性PAM信号的极性就被映射到LED组的索引上；

在离散时间域，接收端的接收信号表示为：

其中，w_k(n)是第k个PD上的均值为0，方差为的噪声分量；那么，接收向量可以表示为：

其中[·]^T表示转置，定义信道矩阵

H＝[h₁,h₂] (7)。

双极性PAM信号的正数部分和负数部分分别被第一组和第二组LED发送，传统的双极性PAM的星座点α_traditional表示为：

其中M为PAM的调制阶数，正数信号和负数信号之间的最小欧氏距离也是2d；

基于系数分离系统，调制星座点被重新设计为：

α_proposed＝α_traditional+B·sign{α_traditional}·d (9)

其中，参数B是用于控制正数信号和负数信号之间的最小欧氏距离，重新设计的双极性PAM星座点则为：

此处，正数信号和负数信号之间的最小欧氏距离为2(B+1)d，相邻点间的最小欧式距离仍为2d。

基于所述重新设计的双极性PAM星座图，接收端的星座为：

假设向量h₁和h₂之间的夹角为θ，在h₁/||h₁||方向上，相邻点之间的最小欧氏距离为2d||h₁||；在h₂/||h₂||方向上，相邻点之间的最小欧氏距离为2d||h₂||；h₁/||h₁||方向上的星座点与h₂/||h₂||方向上的星座点之间的最小欧氏距离为：

D_PN＝||h₁-h₂||(1+B)d (11)

为使最小欧式距离最大化，星座点的设计应满足如下条件：

D_PN＝min{2d||h₁||,2d||h₂||} (12)

因此，得到使最小欧式距离最大化的B为

根据公式(2)和(3)的发射信号的特性，所述接收端的接收信号重新被表示为：

其中，

因为h₁和h₂的元素均为非负数，并且h₁和h₂一般是相关的，所以下面的不等式成立：

||h₁-h₂||<||h₁+h₂|| (15)

所以，先对|x(n)|进行估计：

使用线性最小均方误差算法对|x(n)|进行估计，|x(n)|的估计表示为：

其中为秩为n_r的单位矩阵，因为|x(n)|为M-PAM符号的绝对值，所以把量化到最近的PAM星座点，表示为m(n)，也就是

其中μ为M-PAM的星座点，消除|x(n)|在接收向量y(n)上的作用，得到新的向量p(n)定义为：

如果|x(n)|被正确估计，p(n)重新表示为：

p(n)＝h₂x(n)+w(n) (19)

可以采用最大比合并对x(n)的极性进行估计，x(n)的极性的估计表示为：

其中sign{·}表示极性函数，x(n)的估计表示为：

综上，本发明的接收算法总结为如下步骤：

步骤1：根据发射信号的特性以及线性最小均方误差算法，对|x(n)|进行估计，表示为

步骤2：将量化到欧氏距离最近的PAM星座点m(n)。

步骤3：消除|x(n)|在接收向量y(n)上的作用，根据最大比合并算法得到x(n)极性的估计sg(n)。

步骤4：根据和sg(n)得到x(n)的估计。

步骤5：PAM解调。

本发明的正负系数分离传输方式的可达速率为：

R_PNS＝log₂(M_PNS)(bits/s/Hz) (22)

其中M_PNS为本发明的正负系数分离传输方式的PAM的调制阶数。

实施例：

如图3所示，本实施例的系统配置为：房间的尺寸是6米×6米×6米，接收机处于地面以上1米，并且配有2个PD，n_r＝2，为了减小空间子信道间的相关性，两个PD不是直接对着屋顶，而是在x-z平面有一个角度，如图3所示。其他的系统参数如表一，这里假设所以的LED具有相同的特性，所有的PD具有相同的特性。

表1、系统参数

在以下实施例中，信噪比根据接收功率定义为：

其中是每个PD的平均接收光功率。

实施例1：

假设发射机具有2个LED，其中第一组和第二组分别具有1个LED，两个LED的坐标分别为(1.5,3,6)和(4.5,3,6)。接收端两个PD的坐标分别为(2.5,3,1)和(2.6,3,1)，θ₁＝θ₂＝π/4。

如图4所示，不同方式的误比特率性能包括基于双极性16-PAM的本发明的正负系数分离方式，其中参数B＝2；基于直流偏置4-PAM的2×2MIMO方式，其中两个独立的直流偏置4-PAM数据被发送，接收机采用最小均方误差算法；基于直流偏置16-PAM的分集方式，其中两个LED发送相同的基于直流偏置的16-PAM信号；基于单极性8-PAM的空间光调制方式，其中1比特信息被调制到LED的索引，接收机采用最大似然检测。

从图4中可以看出，本发明提出的正负系数分离方法的误比特率性能优于基于直流偏置的MIMO方式，以及基于直流偏置的分集方式。在误比特率为10^-4的条件下，基于直流偏置的MIMO方式以及基于直流偏置的分集方式相比，本发明的正负系数分离方式可以分别获得4dB和2dB的增益。与单极性空间光调制相比，本发明的正负系数分离方式在高信噪比条件下可以获得更好的性能；在误比特率为10^-4的条件下，本发明的正负系数分离方式可以获得5dB的性能增益。

实施例2：

假设发射机具有4个LED，其中第一组和第二组分别具有2个LED，4个LED的坐标分别为(1.2,3,6)，(2.4,3,6)，(3.6,3,6)，(4.8,3,6)。每个LED组内部，光功率平均分配。接收端两个PD的坐标分别为(2.5,3,1)和(2.6,3,1)，θ₁＝θ₂＝π/6，M_PNS＝64。图5描述的是本发明中的正负系数分离方式在不同的参数B的取值条件下的误比特率性能，可以看出本发明设计的最优参数B可以获得更优的误比特率性能。

通过上述实施例可以看出，本发明在发射端，LED被分为两组，第一组发射双极性脉冲幅度调制信号的正数部分，第二组发射双极性脉冲幅度调制信号的负数部分的绝对值；在接收端，采用计算复杂度低的新颖的接收机，接收机利用发射信号的特性，先估计发射的双极性脉冲幅度调制信号的绝对值，然后估计发射的双极性脉冲幅度调制信号的极性，最终得到双极性脉冲幅度调制信号的估计，具有计算复杂度低、性能优等特点，是一种复杂低、性能优的光域调制系统。

Claims (3)

1.一种基于系数分离的多输入多输出可见光通信系统，其特征在于：包括发射机和接收机，所述发射机配置有n_t个LED且分为两组，第一组具有n₁个LED发射双极性脉冲幅度调制PAM信号正数部分，第二组具有n₂个LED发射双极性PAM信号负数部分的绝对值；所述接收机配置有n_r个PD；

其中，从第j组的第l个LED到第k个PD的信道的冲激响应表示为：

其中，对于第一组LED，则1≤l≤n₁，对于第二组LED，则1≤l≤n₂；j等于1或2,k∈[1,n_r],A_r,k表示第k个PD的接收面积，D_k,(j,l)表示从第j组的第l个LED到第k个PD的距离，m_(j,l)是辐射阶数，与发射LED半角有关，m_(j,l)＝-ln2/ln(cosΦ_1/2,(j,l))，Φ_1/2,(j,l)为第j组的第l个LED的半功率角，φ_k,(j,l)和为从第j组的第l个LED到第k个PD的出射角和入射角，T_k(·)和G_k(·)分别为第k个PD的光滤波器增益和聚焦器增益，Ψ_k是第k个PD的可视角；

在离散时间域，输入至第一组LED的信号表示为：

s₁(n)＝(x(n))⁺＝(x(n)+|x(n)|)/2 (2)

其中x(n)为双极性PAM信号，(a)⁺＝max{0,a}，a为实数；

输入至第二组LED的信号表示为：s₂(n)＝(-x(n))⁺＝(-x(t)+|x(t)|)/2 (3)

因此，输入至第j组的第l个LED的信号表示为：

s_(j,l)(n)＝β_(j,l)s_j(n) (4)

其中，β_(j,l)为第j组的第l个LED的光域功率分配系数；通过公式(2)和(3)的操作，双极性PAM信号的极性就被映射到LED组的索引上；

在离散时间域，接收端的接收信号表示为：

其中，w_k(n)是第k个PD上的均值为0且方差为的噪声分量；那么，接收向量表示为：

其中[·]^T表示转置，定义信道矩阵

H＝[h₁,h₂] (7)；

上述双极性PAM信号的正数部分和负数部分分别被第一组和第二组LED发送，传统的双极性PAM的星座点α_traditional表示为：

其中M为PAM的调制阶数，正数信号和负数信号之间的最小欧氏距离是2d；

基于系数分离系统，调制星座点被重新设计为：

α_proposed＝α_traditional+B·sign{α_traditional}·d (9)

其中，参数B是用于控制正数信号和负数信号之间的最小欧氏距离，重新设计的双极性PAM星座点则为：

此处，正数信号和负数信号之间的最小欧氏距离为2(B+1)d，相邻点间的最小欧式距离仍为2d。

2.根据权利要求1所述的基于系数分离的多输入多输出可见光通信系统，其特征在于：基于所述重新设计的双极性PAM星座图，接收端的星座为：

假设向量h₁和h₂之间的夹角为θ，在h₁/||h₁||方向上，相邻点之间的最小欧氏距离为2d||h₁||；在h₂/||h₂||方向上，相邻点之间的最小欧氏距离为2d||h₂||；h₁/||h₁||方向上的星座点与h₂/||h₂||方向上的星座点之间的最小欧氏距离为：

D_PN＝||h₁-h₂||(1+B)d (11)

为使最小欧式距离最大化，星座点的设计应满足如下条件：

D_PN＝min{2d||h₁||,2d||h₂||} (12)

因此，得到使最小欧式距离最大化的B为

3.根据权利要求2所述的基于系数分离的多输入多输出可见光通信系统，其特征在于：根据公式(2)和(3)的发射信号的特性，所述接收端的接收信号重新被表示为：

其中，

因为h₁和h₂的元素均为非负数，并且h₁和h₂一般是相关的，所以下面的不等式成立：

||h₁-h₂||＜||h₁+h₂|| (15)

所以，先对|x(n)|进行估计：

使用线性最小均方误差算法对|x(n)|进行估计，|x(n)|的估计表示为：

其中为信号|x(n)|的平均功率，为秩为n_r的单位矩阵，因为|x(n)|为M-PAM符号的绝对值，所以把量化到最近的PAM星座点，表示为m(n)，也就是

其中μ为M-PAM的星座点，消除|x(n)|在接收向量y(n)上的作用，得到新的向量p(n)定义为：

如果|x(n)|被正确估计，p(n)重新表示为：

p(n)＝h₂x(n)+w(n) (19)

采用最大比合并对x(n)的极性进行估计，x(n)的极性的估计表示为：

其中sign{·}表示极性函数，x(n)的估计表示为：