CN107181531B - 光空间调制通信系统中led个数任意时的比特映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光空间调制通信系统中LED个数任意时的比特映射方法。一般情况下，光通信中的空间调制都限定发送端LED的个数是2的幂次方。然而，实际部署的LED个数不一定正好是2的幂次方。针对这一问题，本发明提出了光空间调制系统中发送端LED个数任意的比特映射方法。所述方法主要包括三个步骤：空间域的比特映射、信号域的比特映射、加入信道信息之后的比特映射。经过以上三个步骤便能得出相应场景下性能较好的空间调制映射方式，从而实现了发送端个数任意的可见光空间调制的信息传输。

Description

光空间调制通信系统中LED个数任意时的比特映射方法

技术领域

本发明涉及一种自适应比特映射方法，尤其涉及光空间调制通信系统中当发射机个数不是2的幂次方时的空间星座和信号星座的映射方法，属于基于空间调制技术的可见光通信领域。

背景技术

可见光通信(Visible Light Communications,VLC)是在发光二极管 (LightEmitting Diode，LED)等技术上发展起来的一种新型、短距离、高速的无线通信技术。它以LED作为光源，通过发出肉眼察觉不到的、高速明暗闪烁的可见光信号来传输信息，在接收端利用光电二极管(Photodiode,PD)完成光电转换，然后进行电信号的接收、再生、解调实现信息的传递。

空间调制将多输入多输出技术(Multiple input multiple output,MIMO)和数字调制技术结合在一起，并且在任何时刻只有一个发射机被激活用来发送信息，其他发射机均处于关闭状态。由于被激活发射机的索引可以携带额外的比特信息，所以空间调制能够提高系统的频谱效率，此外还可以避免MIMO中存在的信道干扰和同步问题。

近年来，将空间调制和可见光通信相结合，构建出的光空间调制通信系统引起了学术界和产业界的广泛关注。在光空间调制通信系统中，发射机为LED，每个时刻只有一个LED处于激活状态并用来发送信息，其他LED处于熄灭状态。从目前国内外研究的现状来看，国内外专家和学者对光空间调制通信系统的性能分析等方面进行了一些研究，但是基本上都限制发送端LED的个数为2的幂次方，这样被激活LED的索引就可以用整数个比特进行映射。例如，当LED个数为2时，被激活的LED索引可以用1个比特进行映射；当LED个数为4时，被激活的LED索引可以用2个比特进行映射，以此类推。然而，在室内部署LED时，LED的个数不一定正好是2的幂次方。当LED的个数不是2的幂次方时，以前的比特映射方法就不再适用。目前，当LED的个数为任意时，光空间调制通信系统的比特映射问题还没有被充分研究。

发明内容

技术问题：针对光空间调制通信系统，本发明提供了一种LED个数任意时的比特映射方法，打破了以前研究中空间调制发射机个数必须是2的幂次方的限制，扩展了光空间调制通信系统的适用范围。

技术方案:

图1给出了光空间调制通信系统中LED个数任意时的比特映射方法。在图1中，原始比特信息经过串并转换后进行光空间调制。光空间调制分成两部分，一部分用于空间星座映射，一部分用于信号星座映射。根据具体的信道增益通过星座优化的方式进行合适的比特映射，从而得到适合系统的比特映射方式，并获得较佳的系统性能。在光空间调制通信系统中，信号星座映射通常采用调制阶数为2的幂次方的强度调制，因此本系统中信号星座映射可以采用传统的星座映射方法。然而，当发送端LED个数为非2 的幂次方时，传统的空间星座映射方法就可能不再适用。

当发送端LED个数N_t≠2^p,时，假设发送端具有完美的信道状态信息，本发明提出了如下比特映射方法：

(一)、空间星座映射

(1)选择正整数k，使得2^k<N_t<2^k+1；

(2)定义LED灯的索引集合Γ＝{1,2,…,N_t}，其中N_t是LED灯的个数。在集合Γ中依次取出前2^k个元素放入集合Ω中，即Ω＝{1,2,…,2^k}；将集合Ω再分为两个集合Ψ和Ξ，即Ω＝Ψ∪Ξ，其中集合Ξ包含前2^k+1-N_t个元素，即Ξ＝{1,2,…,2^k+1-N_t}，Ψ包括集合Ω剩下的2^k-(2^k+1-N_t)＝N_t-2^k个LED索引，即Ψ＝{2^k+1–N_t+1,…,2^k}。对集合Ξ和Ψ中的元素用k个比特按顺序进行映射。

(3)将集合Γ中剩下的元素定义为集合Φ＝{2^k+1,2^k+2,…,N_t}。

(4)令集合Φ与集合Ψ对应的比特映射完全相同。

(5)在集合Ψ对应比特映射信息后补充一个0，在集合Φ对应比特映射信息补充一个1；这样，集合Ψ和Φ均对应k+1个比特信息；集合Ξ对应k个比特信息。

(6)集合Ξ对应比特映射信息添加一个比特数据位，该比特数据位的取值由信号星座映射决定，详见下面的信号星座映射部分。

需要指出的是，在步骤(5)中，集合Ψ、Φ与集合Ξ对应的比特信息长度不一样，在接收判决时容易造成错误传播。为了使所有LED索引对应相同长度的比特信息和防止错误传播，在步骤(6)中添加了一个比特数据位，该比特位并不用来传输空间星座信息，而是用来传输信号星座信息，详见下面的信号星座映射部分。因此，空间星座映射被分成了两部分，有|Ψ|+|Φ|＝2(N_t–2^k)个LED携带k+1个比特信息，剩下|Ξ|＝2^k+1–N_t个 LED携带k个比特信息。

(二)、信号星座映射

信号星座的具体映射过程为

(1)选取正整数q；

(2)当属于集合Ψ和Φ中索引所对应的LED被激活时，采用2^q阶的强度调制；

(3)当属于集合Ξ索引所对应的LED被激活时，为了利用空间星座中剩余的一位信息，采用2^q+1阶的强度调制。

(三)、加入信道信息进行星座优化

根据实际信道情况，将上面所映射好的比特对应到合适的LED信道，使得系统的性能比较好。

给定信道矩阵Η，若当前发送第i个符号x_i，而接收端接收到第j个符号x_j时系统的成对错误概率为

其中σ为接收端的噪声标准差，并且d_min(H)为最小欧几里得距离，定义为

其中Λ是所有发送光强信号的集合。从公式(3)可以看出系统的成对错误概率是关于最小欧几里得距离的减函数，因此最小欧几里得距离可以用来衡量系统的性能好坏。如果某种调制组合方式的最小欧几里得距离最大，那么该模式的性能也是最好的。因此对于 LED个数非2的幂次方时，我们可以通过最大最小欧几里得距离来找出最优的调制组合方式，然后将(一)(二)中空间域和信号域的比特映射对应到具体的信道增益，从而使得系统系能最佳。

算法：

(1)找出所有可能的调制组合方式记为D＝{d₁,d₂,...,d_L}，其中L表示所有组合方式的总个数，其中表示第i种组合方式中第j个LED灯的调制阶数，并且该组合方式中有2(N_t-2^k)个2^q阶调制，有2^k+1-N_t个2^q+1阶调制。

(2)从集合D中进行全搜索，选择最小欧几里得距离最大的一种调制组合方式，即为系统性能较好的调制组合方式d_optimal。

(3)根据d_optimal分别给出对应的LED索引的比特映射。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)所述比特映射方法适用于发送端LED个数任意时的情况，不需要限制LED的个数是2的幂次方，因而使得光空间调制通信系统具备了更广泛的适用范围。

2)所述比特映射方法充分利用了空间星座中多余的比特位，该比特位用于信号星座调制，提高了系统的平均传输速率。

3)所述比特映射方法利用了信道增益特性，通过最大最小欧几里得距离可以动态自适应地调制比特映射方式，提高了系统的性能。

附图说明

图1光空间调制通信系统中LED个数任意时的比特映射方法；

图2光空间调制通信系统原理图；

图3当N_t＝5时的比特映射图；

图4当N_t＝5时不同映射方法下的系统性能比较图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

具体实施例：

考虑如图2所示的光空间调制通信系统，发射端LED个数为N_t＝5，坐标分别为(1.5，1.2，3)、(1.5，2，3)、(3.5，1.4，3)、(3.5，2.6，3)、(2.5，2，3)；接收端PD个数为1，坐标为(2.5，1.8，0.8)。信道增益为H＝[0.0660,0.0784,0.0734,0.0572,0.1433]. 在所述方法中，空间星座映射过程为

(1)选择正整数为k＝2；

(2)LED索引的集合为Γ＝{1,2,…,5}，Ω＝{1,2,3,4}，Ξ＝{1,2,3}，Ψ＝{4}。对集合Ξ和Ψ中的LED索引用2个比特按顺序进行映射，即00，01，10，11。

(3)Φ＝{5}。

(4)令集合Φ与集合Ψ对应的比特映射完全相同，即11。

(5)在集合Ψ对应比特映射信息后补充一个0，在集合Φ对应比特映射信息补充一个1；这样，集合Ψ和Φ均对应3个比特信息；集合Ξ对应2个比特信息。

(6)集合Ξ对应比特映射信息添加一个比特数据位，该位数据由下面的信号星座映射决定。

接着，进行信号星座映射。在所述方法中，信号星座映射过程为

(1)令q＝1；

(2)当属于集合Ψ和Φ的LED被激活时，采用2阶强度调制；

(3)当属于集合Ξ的LED被激活时，采用4阶强度调制。

最后将比特映射对应到实际信道，使得系统性能最好。

(1)给出所有调制组合方式D＝{d₁,d₂,d₃,…d₁₀}，总共有10种调制组合方式。

(2)通过最大最小欧几里得距离找出最优的调制组合方式d_optimal＝[4,2,4,4,2]。

(3)给对应的LED信道映射合适的比特信息。

根据上述比特映射过程，图3给出了当N_t＝5时的比特映射图。从图中可以看出，下标为1、2、3的LED对应的信道增益分别为0.0660、0.0734、0.0572，且空间域携带 2个比特信息，信号域采用4阶强度调制；下标为4、5的LED对应的信道增益为0.0784、 0.1433，并且空间域携带3个比特信息，信号域采用2阶强度调制。5个LED在每个时隙都发送4个比特信息。

图4给出了实施案例中其他9种不同的比特映射方式以及优化得到的比特映射方式 (信号域的调制阶数组合为d_optimal＝[4,2,4,4,2])的系统性能比较图。从图中可以发现系统误符号率随着信噪比的增加而减少。且M₁＝4,M₂＝2,M₃＝4,M₄＝4,M₅＝2是图中系统性能比较好的一种调制组合方式。

上述实施例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等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.光空间调制通信系统中LED个数任意时的比特映射方法，其特征在于，当发送端LED个数N_t≠2^p,时，采用如下空间星座映射方法：

(1)选择正整数k，使得2^k<N_t<2^k+1；

(2)定义LED灯的索引集合Γ＝{1,2,…,N_t}，其中N_t是LED灯的个数；在集合Γ中依次取出前2^k个元素放入集合Ω中，即Ω＝{1,2,…,2^k}；将集合Ω再分为两个集合Ψ和Ξ，即Ω＝Ψ∪Ξ，其中集合Ξ包含前2^k+1-N_t个元素，即Ξ＝{1,2,…,2^k+1-N_t}，Ψ包括集合Ω剩下的2^k-(2^k+1-N_t)＝N_t-2^k个LED索引，即Ψ＝{2^k+1–N_t+1,…,2^k}；对集合Ξ和Ψ中的元素用k个比特按顺序进行映射；

(3)将集合Γ中剩下的元素定义为集合Φ＝{2^k+1,2^k+2,…,N_t}；

(4)令集合Φ与集合Ψ对应的比特映射完全相同；

(5)在集合Ψ对应比特映射信息后补充一个0，在集合Φ对应比特映射信息补充一个1；这样，集合Ψ和Φ均对应k+1个比特信息；集合Ξ对应k个比特信息；

(6)集合Ξ对应比特映射信息添加一个比特数据位，该比特数据位的取值由特定的信号星座映射决定。

在步骤(5)中，集合Ψ、Φ与集合Ξ对应的比特信息长度不一样，在接收判决时容易造成错误传播；为了使所有LED索引对应相同长度的比特信息和防止错误传播，在步骤(6)中添加了一个比特数据位，该比特位并不用来传输空间星座信息，而是用来传输信号星座信息，因此，空间星座映射被分成了两部分，有|Ψ|+|Φ|＝2(N_t–2^k)个LED携带k+1个比特信息，剩下|Ξ|＝2^k+1–N_t个LED携带k个比特信息；所述(6)信号星座映射的具体映射过程为：

(6-1)选取正整数q；

(6-2)当属于集合Ψ和Φ中索引所对应的LED被激活时，采用2^q阶的强度调制；

(6-3)当属于集合Ξ索引所对应的LED被激活时，为了利用空间星座中剩余的一位信息，采用2^q+1阶的强度调制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据实际信道情况，将所映射好的比特对应到合适的LED信道，使得系统的性能好；

给定信道矩阵Η，若当前发送第i个符号x_i，而接收端接收到第j个符号x_j时系统的成对错误概率为

其中σ为接收端的噪声标准差，并且d_min(H)为最小欧几里得距离，定义为

其中Λ是所有发送光强信号的集合，对于LED个数非2的幂次方时，通过最大最小欧几里得距离来找出最优的调制组合方式，然后将空间域和信号域的比特映射对应到具体的信道增益，从而使得系统系能最佳；

计算方法如下：

a)、找出所有可能的调制组合方式记为D＝{d₁,d₂,...,d_L}，其中L表示所有组合方式的总个数，其中表示第i种组合方式中第j个LED灯的调制阶数，并且该组合方式中有2(N_t-2^k)个2^q阶调制，有2^k+1-N_t个2^q+1阶调制；

b)、从集合D中进行全搜索，选择最小欧几里得距离最大的一种调制组合方式，即为系统性能较好的调制组合方式d_optimal；

c)、根据d_optimal分别给出对应的LED索引的比特映射。