CN107276671B - 一种优化空间调制的室内可见光通信系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化空间调制的室内可见光通信系统的方法，首先根据常规的室内照明需求布置M个LED光源作为信号发射机阵列，其中LED为发光二极管；使用N个光电二极管PD构成信号接收机阵列，并改变PD的排布方式，使每一个PD的朝向的法向量不一致；按照空间调制的方式进行可见光通信系统信号传输。上述方法能极大地改善系统的误码率，提高室内可见光通信系统的通信性能，且易于操作和实际实现。

Description

一种优化空间调制的室内可见光通信系统的方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种优化空间调制的室内可见光通信系统的方法。

背景技术

近年来，随着LED技术与工艺的发展，可见光通信(VLC)被视为传统短距离无线通信一个有力的补充，与传统的无线通信技术相比，可见光通信采用的是频率更高、频谱更宽的可见光频段，并具有可靠、安全以及使用范围更广等优点。然而，受限于商用LED光源可用调制带宽，实际的可见光通信系统中通信速率无法得到进一步的提高，为了摆脱调制带宽对通信系统的限制，学术界提出了高频谱效率的调制方案如正交频分复用(OFDM)结合多输入多输出(MIMO)技术。其中在MIMO可见光技术中，有一种新兴的调制技术：空间调制技术。它的基本原理是将所需传输的信息分为两个部分，一个是通过传统调制技术如脉冲幅度调制(PAM)、开关键控(OOK)等调制携带所需的传输信息，另一部分是通过以发射机序号映射的空间信息。和传统的MIMO技术相比，空间调制技术在一个传输时隙内，只允许一个发射机工作，因此能有效降低不同发射机导致的信道干扰问题和系统复杂度。

然而由于室内可见光信道的高度相关性，调制于发射机标号的空间信息难以被正确解调，从而使得通信系统的误码率有显著的提升，这将极大地降低空间调制的可见光通信系统的性能和可靠性，现阶段基于空间调制的室内可见光通信系统难以保证可靠的通信性能，新的解决方案有待研究和提出。

发明内容

本发明的目的是提供一种优化空间调制的室内可见光通信系统的方法，该方法能极大地改善系统的误码率，提高室内可见光通信系统的通信性能，且易于操作和实际实现。

一种优化空间调制的室内可见光通信系统的方法，所述方法包括：

步骤1、根据常规的室内照明需求布置M个LED光源作为信号发射机阵列，其中LED为发光二极管；

步骤2、使用N个光电二极管PD构成信号接收机阵列，并改变PD的排布方式，使每一个PD的朝向的法向量不一致；

步骤3、按照空间调制的方式进行可见光通信系统信号传输。

所述PD的数量为4个，且4个PD在一个平面内围绕着半径为0.1米的圆均匀分布放置，每个PD的方位角度之差为90度。

所述每一个PD的朝向的法向量通过一定的优化准则给出，该优化准则包括：

首先确定直角坐标系，利用(x_j，y_j，z_j，θ_j，φ_j)五元组来描述第j个PD的位置特性，其中θ为方位角，φ为仰角，这两者可以用来确定PD朝向的法向量，且每个PD的五元组满足以下约束关系：

1≤j≤N

θ_j＝θ′；

根据所布置的LED的位置和相应的特性参数，得到PD阵列在确定位置下的信道矩阵H；

计算接收到的最小信号欧式距离，得到最小信号欧式距离与方位角和仰角的关系；

通过改变方位角θ和仰角φ使最小信号欧式距离达到最小；其中，使得最小信号欧式距离达到最小时的方位角和仰角即为接收阵列PD的法向量参数。

所述计算接收到的最小信号欧式距离具体包括：

采用k-PAM调制方式得到最小信号欧式距离表示为：

k1,k2＝1,2，…,k；j1,j2＝1,2,…,M；

其中，I_k信号映射到PAM时对应的幅度，h_ij为信道矩阵中的元素；

m＝1,2,…,k。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能极大地改善系统的误码率，提高室内可见光通信系统的通信性能，且易于操作和实际实现。

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为本发明实施例所提供优化空间调制的室内可见光通信系统的方法流程示意图；

图2为本发明实施例所举出的一种PD阵列排布的示意图；

图3为本发明实施例所述最小信号欧式距离与方位角和仰角的关系图；

图4为本发明实施例所述方法与传统空间调制方案的误码率对比示意图。

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。

本发明实施例通过对接收机阵列进行优化设计，可以良好地改善采用空间调制技术的多输入多输出的室内可见光通信系统性能，有效地降低室内可见光多路信道的相关性，在误码率门限10^-3处获得了7dB以上的电信噪比增益。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提供优化空间调制的室内可见光通信系统的方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、根据常规的室内照明需求布置M个LED光源作为信号发射机阵列，其中LED为发光二极管；

在该步骤中，为了确保空间调制技术能完成空间信息的映射，需要满足M＝2^K，k＝1，2，……。

步骤2、使用N个光电二极管PD构成信号接收机阵列，并改变PD的排布方式，使每一个PD的朝向的法向量不一致；

在该步骤中，如图2所示为本发明实施例所举出的一种PD阵列排布的示意图，图2中：PD的数量为4个，且4个PD在一个平面内围绕着半径为0.1米的圆均匀分布放置，每个PD的方位角度之差为90度。其中，φ_offset为阵列方位角的偏移量，为待优化参数；θ_ele为PD的仰角，为待优化参数。

所述每一个PD的朝向的法向量通过一定的优化准则给出，该优化准则包括：

1)首先确定直角坐标系，利用(x_j，y_j，z_j，θ_j，φ_j)五元组来描述第j个PD的位置特性，其中θ为方位角，φ为仰角，这两者可以用来确定PD朝向的法向量，且每个PD的五元组满足以下约束关系：

1≤j≤N

θ_j＝θ′；

2)根据所布置的LED的位置和相应的特性参数，得到PD阵列在确定位置下的信道矩阵H；

这里，H是一个N×M矩阵，其表达式为

其中，A是接收端PD的探测面积，Ψ是接收端PD的视场角，Θ_1/2表示LED半功率角，m表示LED朗博模型辐射阶数。

3)计算接收到的最小信号欧式距离，得到系统误码率与方位角和仰角的关系：

其中，d_H表示比特流和Q函数间的hamming间距，K是调制信号阶数，通常使用脉冲幅度调制(PAM)，M是发射端灯的个数，

和

分别表示调制在

和xk₂j₂上的比特信息，对应的调制信号的强度分别为

和

是经PD接收后不同信号间的欧式距离。

由上述关系式可知：当调制信号确定后，影响系统误码率的变量是信号欧式距离。进一步地

的取值是由接收端的方位角和仰角决定，因此通过优化方位角和仰角可以获得最小信号欧式距离，进而提高系统性能。

这里，举例来说，将接收阵列放在一个4m*4m*3m的房间内，房间布置了N＝4个LED作为信号发射机，放置在高为2.7m的水平面上，具体的位置为(1,3,2.7)，(3,3,2.7),(3,1,2.7),(1,1,2.7)单位为米，以房间的某个角落为坐标远点；而PD阵列放在高为0.8m的水平面上，位置为(2,2,0.8)单位为米；LED的半功率角设置为60度，PD的视场角为90度。

如图3所示为本发明实施例所述最小信号欧式距离与方位角和仰角的关系图，通过改变仰角和方位角，得到最小信号欧式距离与方位角和仰角的关系，由图3可知：仰角对最小信号欧式距离有较大的影响，而方位角对其影响可以忽略；在当前参数设置下，仰角为50度时，最小信号欧式距离达到最小。

4)通过改变方位角θ和仰角φ使最小信号欧式距离达到最小；其中，使得最小信号欧式距离达到最小时的方位角和仰角即为接收阵列PD的法向量参数。

这里，计算接收到的最小信号欧式距离可以采用k-PAM调制方式，所得到的最小信号欧式距离表示为：

其中，I_k信号映射到PAM时对应的幅度，h_ij为信道矩阵中的元素；

步骤3、按照空间调制的方式进行可见光通信系统信号传输。

具体实现中，该信号传输过程为：

首先来自信源待传输的二进制比特传输到空间调制系统，通过空间调制映射后经由LED作为信号发射机传输出去。空间调制的信息传输分为两个部分，一部分是通过传统调制技术如PAM,OOK等方案将二进制比特映射到星座图上作为信息传输，另一部分是通过在任意一个时隙内，只有一个LED发送刚刚映射到星座图的信号，通过发射机的序号作为信息传输出去。在接收端，通过最优检测算法(如最大似然)对两部分信息进行解调，得到解调后的二进制比特信息。

下面对本发明实施例所述方法和传统调制方案的误码率进行对比说明，如图4所示为本发明实施例所述方法与传统空间调制方案的误码率对比示意图，其中纵轴为误码率，横轴为信噪比。传统的空间调制的PD阵列排布是水平的，各个PD的接收面法向量垂直于水平面，这就导致了接收信号有极大的相关性，进而使得调制的空间信息无法正确解调；本发明实施例的方法令仰角为50度进行系统误码率仿真，通过改变PD的排布方式，使得原来的空间调制系统的性能有了很大的提升，在误码率为10^-3量级获得了超过7dB的信噪比增益，从图4中结果可以看出，本发明所述方法能极大的提高空间调制可见光中的误码率性能。

综上所述，本发明实施例所述方法具有如下优点：

(1)有效降低可见光信道传递矩阵的相关性，通过角度分集为空间调制提供空间信息的增益，有效地提高通信系统的误码率性能，极大地改善室内空间调制的性能；

(2)与原有的对准方案相比，更易于实现，具有更高的实用价值。

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 (4)

1.一种优化空间调制的室内可见光通信系统的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、根据常规的室内照明需求布置M个LED光源作为信号发射机阵列，其中LED为发光二极管；其中，使M＝2^K，k＝1，2，……；

步骤2、使用N个光电二极管PD构成信号接收机阵列，并改变PD的排布方式，使每一个PD的朝向的法向量不一致；

其中，所述每一个PD的朝向的法向量通过设定的优化准则给出，该优化准则包括：

首先确定直角坐标系，利用(x_j，y_j，z_j，θ_j，φ_j)五元组来描述第j个PD的位置特性，其中θ_j为方位角，φ_j为仰角，这两者用来确定PD朝向的法向量，且每个PD的五元组满足以下约束关系：

1≤j≤N

θ_j＝θ′；

其中，φ_offset为阵列方位角的偏移量；

根据所布置的LED的位置和特定的特性参数，得到PD阵列在确定位置下的信道矩阵H，其中：

H是一个N×M矩阵，其表达式为：

其中，A是接收端PD的探测面积，Ψ是接收端PD的视场角，Θ_1/2表示LED半功率角，m表示LED朗博模型辐射阶数；

然后计算接收到的最小信号欧式距离，得到最小信号欧式距离与方位角和仰角的关系；

通过改变方位角θ和仰角φ使最小信号欧式距离达到最小；其中，使得最小信号欧式距离达到最小时的方位角和仰角为接收阵列PD的法向量参数；

步骤3、按照空间调制的方式进行可见光通信系统信号传输。

2.根据权利要求1所述优化空间调制的室内可见光通信系统的方法，其特征在于，所述PD的数量为4个，且4个PD在一个平面内围绕着半径为0.1米的圆均匀分布放置，每个PD的方位角度之差为90度。

3.根据权利要求1所述优化空间调制的室内可见光通信系统的方法，其特征在于，所述计算接收到的最小信号欧式距离具体包括：

采用k-PAM调制方式得到最小信号欧式距离表示为：

k1,k2＝1,2，…,k；j1,j2＝1,2,…,M；

其中，I_k信号映射到PAM时对应的幅度，h_ij为信道矩阵中的元素；

m＝1,2,…,k。

4.根据权利要求1所述优化空间调制的室内可见光通信系统的方法，其特征在于，所得到的最小信号欧式距离与方位角和仰角的关系式表示为：

其中，d_H表示比特流和Q函数间的hamming间距，K是调制信号阶数，M是发射端灯的个数，

和

分别表示调制在

和xk₂j₂上的比特信息，对应的调制信号的强度分别为

和

是经PD接收后不同信号间的欧式距离。

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