CN108540180A - 一种多色mimo-vlc比特功率分配星座设计方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多色MIMO‑VLC比特功率分配星座设计方案，该方案是在功率分配上，以最大化多用户频谱效率为目标函数，在给定CCT下，采用一定的凸优化算法计算得到多色LED芯片各个颜色之间的功率分配比例；本发明根据不同维度光功率的比例，采用比特功率分配的方法，设计了RGB三维多色MIMO‑VLC的优化星座方案；本发明的优势在于，可以进一步提高通信效率，通过对多色MIMO‑VLC信号进行针对性的信号设计有效地提高频谱效率，实现多色MIMO‑VLC系统的通信速率提升。

Description

一种多色MIMO-VLC比特功率分配星座设计方案

技术领域

本发明涉及星座设计优化技术领域，具体为一种多色 MIMO-VLC比特功率分配星座设计方案。

背景技术

目前普遍使用的白光LED光源主要分为两种：第一种是在氮化镓蓝色芯片上涂覆黄色荧光粉，通过蓝光激发黄色荧光粉得到白光，这种光源称为基于荧光粉的LED光源(phosphor-converted LED, pc-LED)，它也是现今业界使用最广的类型；第二种是多色芯片LED，利用三个或更多的单色LED芯片发射不同的单色光，并将不同单色光根据预定的比率混合在一起产生白光，典型的多色芯片LED有红绿蓝多色发光二极管(RGB-LED)、红绿蓝黄多色发光二极管 (RGBY-LED)等。

虽然多色芯片LED较pc-LED结构更加复杂而且成本更高，但其在可见光通信领域里具有不同于pc-LED的几个明显优势：1、多色芯片LED的调制带宽是pc-LED的若干倍，可以实现更大容量的信息承载；2、多色芯片LED光源的色温、显色指数等参数可根据照明需求进行调节，能够实现更大颜色动态范围内的照明。

另一方面，目前的VLC通信系统中普遍采用了高频谱效率的通信技术，如正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)和多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-output,MIMO)等。由于多色LED发光器件(如RGB-LED、RGBA-LED)具有良好的天然MIMO结构，因此可以在不加大设备尺寸的情况下实现等效于空间分离MIMO-VLC的性能，甚至能够在单灯多色MIMO的基础上同时设计多灯的空间分离MIMO系统。多色LED的这一优良特性使得它成为了超越现有白光pc-LED的新型可见光通信光源器件，也让进一步提高可见光通信速率成为可能。

多色芯片LED光源在实现通信的同时需要考虑到颜色合成的白光照明约束，众多学者对此已进行过深入的研究。例如K.H.Park团队提出了光功率约束下的MIMO-VLC通信系统的功率分配方案；中国科学技术大学团队考虑到光功率约束和色度约束，对基于 RGB-LEDs的VLC信号进行了星座设计，以及对光功率约束和色度约束下的点对点VLC通信系统的最大化传输速率进行了优化计算。但这些研究仅考虑了LED固定颜色色度坐标的情况，而事实上，适当范围内放宽色度约束不会影响照明效果，且能在一定程度上提升 LED的通信性能。因此，相关学者进一步考虑多色MIMO的光功率约束和照明色度约束范围，针对不同颜色的光功率分配问题进行了研究。基于多色芯片LED相关问题的这一新型可见光通信技术称为：多色MIMO可见光通信技术。

清华大学信息技术实验室考虑如所示的多用户MISO通信系统。发送端LED共有多个多色芯片，每个芯片发出不同颜色的单色光且传输不同信息。接收端采用多个独立的滤光片和光电二极管(Photo Diode,PD)进行信号接收。多路信号间不考虑相互串扰。

多用户多色MISO-VLC系统的光功率分配问题主要考虑亮度、色度、幅度、误比特率四种约束，通过最优化功率分配实现最大化多用户总频谱效率。问题求解过程中，由于色度约束限制在MacAdam 椭圆区域内，因此原问题为一个非凸优化问题，通过对椭圆坐标进行极坐标转化和引入松弛变量，原问题转化为一个可快速求解的凸优化问题。经过大量数值仿真实验，可以得出结论，不同CCT和总光功率下，达到最大多用户总频谱效率的最优功率分配比例基本保持不变。

但是，尽管在该技术领域有着很大的技术进展，但是以最大化多用户频谱效率为目标函数，现有研究主要集中在调制方式为KPAM 下的功率分配优化研究，但是未经设计的各路等阶KPAM并不是最优的多色MIMO-VLC星座设计方案。

因此，为了进一步提高通信效率，通过对多色MIMO-VLC信号进行针对性的信号设计来有效地提高频谱效率，最后实现多色 MIMO-VLC系统的通信速率提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多色MIMO-VLC比特功率分配星座设计方案，以解决上述背景技术提出的寻找使系统的通照性能都能达到最佳的预编码、均衡矩阵和光通量分配比例问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多色MIMO-VLC比特功率分配星座设计方案，该设计方案为一给定光功率下多色MIMO-VLC系统的最优化信号星座设计方案；

室内无线光通信(Optical Wireless Communication,OWC)主要考虑直射视距链路，反射链路的直流增益相对直射视距链路增益小得多，因此一般不予考虑。信道直流增益可表示为：

其中，m为调制阶数，D_ij为第i个发送端与第j个接收机的距离，θ_ij为LED的发光角度，表示接收端光线入射角，δ_j为接收响应，为接收端视场角(Field of view,FOV)，是指接收端能够接收光线的最大角度，A_j为光电探测器的物理接收面积。为透镜增益，由接收端视场角和透镜折射率n共同决定。

在光信道的噪声中，散粒噪声占有主要的部分。因此将VLC系统中的噪声建模为加性高斯白噪声，由此可得接收信号与发送信号的关系为

y＝Hx+n

其中，发送信号向量x_3×1＝[x₁,x₂,x₃]^T，接收信号y为一标量，信道矩阵H_1×3＝[h₁,h₂,h₃]，n为高斯白噪声，n～N(0,σ²)。

因此，在该设计方案中，设定各颜色维度比特数分别为k₁＝1，k₂＝1， k₃＝1，各颜色加入直流光功率令各颜色比特分配的光功率为则接收端星座点集合为其中x_i∈{0,1}；

建立目标函数，并给出相应约束条件

不失一般性，可令其中各路给定的平均光功率满足

根据目标函数，首先给出可能出现最小d的情况下，错误矢量e 和对应的d：

(1)[e₁,e₂,e₃]＝[±1,0,0]，p₁

(2)[e₁,e₂,e₃]＝[0,±1,0]，p₂

(3)[e₁,e₂,e₃]＝[0,0,±1]，p₃

(4)p₁-p₂或p₂-p₁

(5)p₁-p₃或p₃-p₁

(6)p₂-p₃或p₃-p₂

(7)p₁-p₂-p₃或-p₁+p₂+p₃

(8)-p₁+p₂-p₃或+p₁-p₂+p₃

(9)-p₁-p₂+p₃或+p₁+p₂-p₃

则原目标函数可写为

据此，可得到不同p＝[p₁,p₂,p₃]^T下的最优 MIMO-VLC星座设计方法。

在RGB三色芯片LED的多色MIMO-VLC系统中，如果最优的比特功率分配为 其中m＝[1,2,4]^T，最优的星座间最大最小欧式距离可以证明，此方案为最优的比特功率分配方案。

优选的，所述MIMO-VLC星座为RGB-MIMO-VLC星座，即光源采用红绿蓝多色发光二极管(RGB-LED)。

优选的，所述给定光功率下多色MIMO-VLC系统的最优化信号星座设计方案其中的最优化信号设计是以最大化多用户频谱效率为目标函数，在给定CCT下，采用一定的凸优化算法计算得到多色LED 芯片各个颜色之间的功率分配比例。

优选的，该设计方案是根据不同维度光功率的比例，采用比特功率分配的方法进行优化设计，最终得到的RGB三维多色MIMO-VLC 的优化星座方案。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种多色 MIMO-VLC比特功率分配星座设计方案，通过设计使各路具有比特功率分配后的多维OOK，形成最优的多色MIMO-VLC星座设计方案，采用该设计方案可以进一步提高通信效率，通过对多色MIMO-VLC信号进行针对性的信号设计可以有效地提高频谱效率，从而使多色 MIMO-VLC系统的通信速率提升。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：

一种多色MIMO-VLC比特功率分配星座设计方案，该设计方案为一给定光功率下多色MIMO-VLC系统的最优化信号星座设计方案；

室内无线光通信(Optical Wireless Communication,OWC)主要考虑直射视距链路，反射链路的直流增益相对直射视距链路增益小得多，因此一般不予考虑。信道直流增益可表示为：

其中，m为调制阶数，D_ij为第i个发送端与第j个接收机的距离，θ_ij为LED的发光角度，表示接收端光线入射角，δ_j为接收响应，为接收端视场角(Field of view,FOV)，是指接收端能够接收光线的最大角度，A_j为光电探测器的物理接收面积。为透镜增益，由接收端视场角和透镜折射率n共同决定。

在光信道的噪声中，散粒噪声占有主要的部分。因此将VLC系统中的噪声建模为加性高斯白噪声，由此可得接收信号与发送信号的关系为

y＝Hx+n

其中，发送信号向量x_3×1＝[x₁,x₂,x₃]^T，接收信号y为一标量，信道矩阵H_1×3＝[h₁,h₂,h₃]，n为高斯白噪声，n～N(0,σ²)。

因此，在该设计方案中，设定各颜色维度比特数分别为k₁＝1，k₂＝1，k₃＝1，各颜色加入直流光功率令各颜色比特分配的光功率为p＝[p₁,p,₂p]^T ₃，则接收端星座点集合为其中x_i∈{0,1}；

建立目标函数，并给出相应约束条件

不失一般性，可令其中各路给定的平均光功率满足

根据目标函数，首先给出可能出现最小d的情况下，错误矢量 e和对应的d：

(1)[e₁,e₂,e₃]＝[±1,0,0]，p₁

(2)[e₁,e₂,e₃]＝[0,±1,0]，p₂

(3)[e₁,e₂,e₃]＝[0,0,±1]，p₃

(4)p₁-p₂或p₂-p₁

(5)p₁-p₃或p₃-p₁

(6)p₂-p₃或p₃-p₂

(7)p₁-p₂-p₃或-p₁+p₂+p₃

(8)-p₁+p₂-p₃或+p₁-p₂+p₃

(9)-p₁-p₂+p₃或+p₁+p₂-p₃

则原目标函数可写为

据此，可得到不同p＝[p₁,p₂,p₃]^T下的最优 MIMO-VLC星座设计方法。

在RGB三色芯片LED的多色MIMO-VLC系统中，如果最优的比特功率分配为 其中m＝[1,2,4]^T，最优的星座间最大最小欧式距离可以证明，此方案为最优的比特功率分配方案。

工作原理：以最大化多用户频谱效率为目标函数，在给定CCT 下，采用一定的凸优化算法计算得到多色LED芯片各个颜色之间的功率分配比例；根据不同维度光功率的比例，采用比特功率分配的方法，设计得到该RGB三维多色MIMO-VLC的优化星座方案。在RGB 三色芯片LED的多色MIMO-VLC系统中，如果 最优的比特功率分配为其中最优的星座间最大最小欧式距离

术语解释：

1.VLC:(visible light communication)可见光通信；

2.LED:(lighting emitting diode)发光二极管；

3.MIMO：(multiple-input multiple-output)多发多收系统；

4.PD：(photodetector)光电检测器；

5.MMSE：(minimum mean square error)最小均方误差；

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多色MIMO-VLC比特功率分配星座设计方案，其特征在于，该设计方案为一给定光功率下多色MIMO-VLC系统的最优化信号星座设计方案，在该设计方案中，设定各颜色维度比特数分别为k₁＝1，k₂＝1，k₃＝1，各颜色加入直流光功率令各颜色比特分配的光功率为p＝[p₁,p₂,p₃]^T，则接收端星座点集合为S:其中x_i∈{0,1}；

建立目标函数，并给出相应约束条件

不失一般性，可令其中各路给定的平均光功率满足

根据目标函数，首先给出可能出现最小d的情况下，错误矢量e和对应的d：

(1)[e₁,e₂,e₃]＝[±1,0,0]，p₁

(2)[e₁,e₂,e₃]＝[0,±1,0]，p₂

(3)[e₁,e₂,e₃]＝[0,0,±1]，p₃

(4)p₁-p₂或p₂-p₁

(5)p₁-p₃或p₃-p₁

(6)p₂-p₃或p₃-p₂

(7)p₁-p₂-p₃或-p₁+p₂+p₃

(8)-p₁+p₂-p₃或+p₁-p₂+p₃

(9)-p₁-p₂+p₃或+p₁+p₂-p₃

则原目标函数可写为

据此，可得到不同p＝[p₁,p₂,p₃]^T下的最优MIMO-VLC星座设计方法。

2.根据权利要求1所述的一种多色MIMO-VLC比特功率分配星座设计方案，所述MIMO-VLC星座为RGB-MIMO-VLC星座，即光源采用红绿蓝多色发光二极管RGB-LED。

3.根据权利要求1所述的一种多色MIMO-VLC比特功率分配星座设计方案，所述给定光功率下多色MIMO-VLC系统的最优化信号星座设计方案其中的最优化信号设计是以最大化多用户频谱效率为目标函数，在给定CCT下，采用一定的凸优化算法计算得到多色LED芯片各个颜色之间的功率分配比例。

4.根据权利要求1与2所述的一种多色MIMO-VLC比特功率分配星座设计方案，该设计方案是根据不同维度光功率的比例，采用比特功率分配的方法进行优化设计，最终得到的RGB三维多色MIMO-VLC的优化星座方案。

5.根据权利要求1所述的一种多色MIMO-VLC比特功率分配星座设计方案，当i＝1,2,3，最优的比特功率分配为 其中m＝[1,2,4]^T，最优的星座间最大最小欧式距离