CN108155941A - 一种可见光i-mimo系统信号识别与合并方法 - Google Patents

一种可见光i-mimo系统信号识别与合并方法 Download PDF

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蒋良成
王凯歌
陈明
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114—Indoor or close-range type systems
    • H04B10/116—Visible light communication

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Abstract

本发明公开了一种可见光I‑MIMO系统信号识别与合并方法，属于可见光通信领域。首先，对于不同PD上成像进行识别，以确定其是否来自同一个LED发射源，然后对于来自同一LED的成像进行基于阈值的合并。与现有技术相比，本发明提出了PD阵列上的成像识别，及基于阈值的合并方案。本发明有效降低系统的误码率。

Description

一种可见光I-MIMO系统信号识别与合并方法
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种可见光I-MIMO系统信号识别与合并方法。
背景技术
可见光相关性较大，如何降低信道相关性成为可见光MIMO系统的关键性问题之一。I-MIMO(Imaging-MIMO，成像MIMO)在改善信道相关性方面优势明显，且PD(光电二极管)阵列尺寸较小。在I-MIMO系统中，不同LED发射源在PD阵列上的成像往往是彼此分离的，而且由于PD阵列的水平旋转，相同LED发射源的成像往往分布在不同的PD检测器上。因此，需要考虑如何将这些分布于不同PD上的成像进行合并处理，以进行后续的数据恢复，提高系统误码率性能。
为了改善可见光系统信道状态，Zeng.L等在2009年发表于《IEEE Journal onSelected Areas in Communications》期刊上的，题为《High data rate multiple inputmultiple output(MIMO)optical wireless communications using white LEDlighting》的论文中提出了I-MIMO系统方案，给出了直射信道下I-MIMO信道的数学模型。初始电信号通过对LED进行强度调制发射出去，然后成像透镜将LED发射源投影到PD检测阵列上，每一个PD或像素点成为一个接收单元，以实现不同信道间的分离。接收端可以对这些接收单元进行合并，以进行后续的数据恢复。
但上述方案只给出了I-MIMO的系统模型，对于信号处理的详细方案未做进一步的研究。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种可见光I-MIMO系统信号识别与合并方法，复杂度较低，且易于实现。
技术方案：本发明所述的可见光I-MIMO系统信号识别与合并方法，包括以下步骤：
(1)获取能够接收到相同LED成像的PD的最大数目Nmax和最小数目Nmin，以及能够检测到成像的相邻PD的数目N；
(2)判断Nmax、Nmin和N的大小：若Nmax＜2Nmin且N＜Nmax，则判定为相邻PD上的成像来自同一个LED灯，并执行(4)，否则判定为相邻PD上的成像的来源不确定，并执行(3)；
(3)计算任意两两相邻PD接收数据的相关系数ρ，当相关系数ρ大于预设阈值是，判定该两个相邻PD的成像来自于同一LED灯，反之判定为来自不同的LED灯；其中，相关系数ρ的计算公式为：
式中，r1、r2表示相邻两个PD的接收数据，D(r1)、D(r2)为对应方差，E()表示求期望值；
(4)删除功率占信道总功率比重小于预设选择阈值的支路信道，并将删除后剩余的成像来自相同LED灯的PD所在支路信道进行等增益合并；其中，删除的支路信道满足公式：
式中，hdel为删除的支路信道，valthr为预设选择阈值，h为总信道。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明可有效降低可见光信道的相关性，且复杂度较低，易于实现，可以有效降低高速率通信下，可见光MIMO系统的去码率。
附图说明
图1是室内VLC I-MIMO系统的系统框图；
图2是接收PD阵列上的不同成像情况的示意图。
具体实施方式
1、问题分析
本发明技术问题存在的场景如下：室内VLC I-MIMO系统如图1所示，系统中具有若干个LED灯，若干个PD组成的接收阵列。其中LED灯置于室内天花板上，兼具照明与数据传输的功能。在PD阵列前面放置了一个成像透镜，光从LED灯源发出，经由成像透镜，在接收PD阵列上成像为彼此不重叠的像素点。接收机阵列上的每一个像素点与对应的LED之间构成一个传播子信道。
信道矩阵Himage中的每一个元素himage,ij由两部分组成
himage,ij＝aijhj′
其中hi′为第j个LED光源经由成像透镜后落在接收阵列上的总功率，aij表示落在第i个PD上的功率。hj′可以表示为
其中Ar′x为成像接收机的聚集面积，dk′j为第j个LED光源到接收机成像透镜中心的距离，φk′j为第j个LED灯到第k个PD的发射角，为第k个PD到第j个LED的接收角，为接接收机的FOV。
aij表示成像区域落在第i个PD检测器上的面积
其中Asj为第j个LED灯在第s个检测器像素点上的成像面积。
对于PD接收阵列上的成像情况如图2所示，存在两种情况：(a)相邻PD上成像来自同一个LED灯，(b)存在相邻PD上的成像来自不同LED灯。
技术问题主要如下：
1)如何区分图2中的两种不同的成像情况；
2)如何识别相邻PD上的成像是否来自同一LED灯；
对于来自相同LED的成像，如何进行后续的数据恢复。
2、技术方法
对于上述问题，本发明提出了一种可见光I-MIMO系统信号识别与合并方法，包括以下步骤：
(1)获取能够接收到相同LED成像的PD的最大数目Nmax和最小数目Nmin，以及能够检测到成像的相邻PD的数目N。
其中，当成像大小、PD尺寸及间距等参数确定后，则Nmax、Nmin也随之确定，因此，可直接得到Nmax、Nmin及N。
(2)判断Nmax、Nmin和N的大小：若Nmax＜2Nmin且N＜Nmax，则判定为相邻PD上的成像来自同一个LED灯，并执行(4)，否则判定为相邻PD上的成像的来源不确定，并执行(3)。
其中，若Nmax＜2Nmin，则当N＜Nmax时，成像如图2(a)所示，此时可以确定相邻PD上的成像来自同一个LED灯，当N＞Nmax时，成像如图2(b)所示，此时存在相邻PD上的成像来自不同的LED灯，需要作进一步检测，以确定相邻PD上的成像对应的发射源。若Nmax≥2Nmin，则无法直观的从N的大小来区分图2所示的不同的成像情况，也需要作进一步检测，以确定相邻PD上的成像对应的发射源。
(3)计算任意两两相邻PD接收数据的相关系数ρ，当相关系数ρ大于预设阈值是，判定该两个相邻PD的成像来自于同一LED灯，反之判定为来自不同的LED灯；其中，相关系数ρ的计算公式为：
式中，r1、r2表示相邻两个PD的接收数据，D(r1)、D(r2)为对应方差，E()表示求期望值。
其中，假设不同LED灯传输的数据是统计独立，可以通过相邻PD接收信号的相关性来辨别其对应的发射源，如果相关性较大，则说明来自同一个LED灯，反之则来自不同的LED灯，因此，采用相关系数来判定是否来自同一LED灯。
(4)删除功率占信道总功率比重小于预设选择阈值的支路信道，并将删除后剩余的成像来自相同LED灯的PD所在支路信道进行等增益合并；其中，删除的支路信道满足公式：
式中，hdel为删除的支路信道，valthr为预设选择阈值，h为总信道。
因为经过等增益合并后的输出信噪比与合并的信号支路数目N有直接关系，当某些支路通信质量较差时，直接进行等增益合并，将会恶化系统的误码率性能。因此本发明首先对不同支路上的信号进行分析比较，选择通信质量较好的支路子集进行后续的等增益合并。考虑到采用等增益合并时，接收端往往不具有SNR知识，因此本发明考虑删除了功率占信道总功率比重较小的支路信道。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种可见光I-MIMO系统信号识别与合并方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)获取能够接收到相同LED成像的PD的最大数目Nmax和最小数目Nmin，以及能够检测到成像的相邻PD的数目N；
(2)判断Nmax、Nmin和N的大小：若Nmax＜2Nmin且N＜Nmax，则判定为相邻PD上的成像来自同一个LED灯，并执行(4)，否则判定为相邻PD上的成像的来源不确定，并执行(3)；
(3)计算任意两两相邻PD接收数据的相关系数ρ，当相关系数ρ大于预设阈值是，判定该两个相邻PD的成像来自于同一LED灯，反之判定为来自不同的LED灯；
(4)删除功率占信道总功率比重小于预设选择阈值的支路信道，并将删除后剩余的成像来自相同LED灯的PD所在支路信道进行合并。
2.根据权利要求1所述的可见光I-MIMO系统信号识别与合并方法，其特征在于：步骤(3)中相关系数ρ的计算公式为：
式中，r1、r2表示相邻两个PD的接收数据，D(r1)、D(r2)为对应方差，E()表示求期望值。
3.根据权利要求1所述的可见光I-MIMO系统信号识别与合并方法，其特征在于：步骤(4)中删除的支路信道满足公式：
式中，hdel为删除的支路信道，valthr为预设选择阈值，h为总信道。
4.根据权利要求1所述的可见光I-MIMO系统信号识别与合并方法，其特征在于：步骤(4)中删除后剩余的成像来自相同LED灯的PD所在支路信道的合并方式为等增益合并。
5.根据权利要求1所述的可见光I-MIMO系统信号识别与合并方法，其特征在于：步骤(1)Nmax、Nmin根据成像大小、PD尺寸及间距参数确定。
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