CN108667524A - 可见光通信中抗多径效应的均衡方法及相关装置 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了可见光通信中抗多径效应的均衡技术。在一种可见光通信中抗多径效应的均衡方法中，包括获取由多个光源发送的定位信息和通信数据；根据所述定位信息，计算得到所述接收机的位置信息；根据所述接收机的位置信息和各光源位置，对接收到的通信数据进行均衡处理，得到均衡后的通信数据。相较于现有技术，本申请提供的方案中，采用定位信息确定接收机位置，进而根据由定位信息计算得到的接收机位置，并依据接收机位置和光源位置实现信道估计和均衡，以对抗多径效应对通信信号的影响。

Description

可见光通信中抗多径效应的均衡方法及相关装置
技术领域
本申请涉及可见光通信领域，更具体地说，涉及可见光通信中抗多径效应的均衡技术。
背景技术
可见光通信技术为近年来兴起的全新无线通信技术，在光源进行照明的同时，融入了通信功能，可以使光源既可以实现照明功能，也可以实现通信功能。可见光通信技术以荧光灯或发光二极管等发出的可见光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，可在空气中直接传输光信号以进行数据传输。
以室内可见光通信为例，请参见图1a，室内可见光通信系统有多个光源，不同光源发出的、相同的通信数据光信号，会经视距(LOS)链路和非视距(NLOS)链路一起进入接收机，从而产生多径效应：由于经不同链路的信号分量到达接收机的时间不同，各信号分量会进行非相干叠加而造成干扰。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供可见光通信中抗多径效应的均衡方法及相关装置，以减轻多径效应造成的干扰问题。
为实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：
一方面，本申请的实施例提供一种可见光通信中抗多径效应的均衡方法，应用于接收机，上述均衡方法利用由定位信息得到的接收机位置来进行信道估计和均衡，以对抗多径效应对通信信号的影响。更具体的，接收机可获取由多个光源发送的定位信息和通信数据；根据上述定位信息，计算得到上述接收机的位置信息；根据上述接收机的位置信息和各光源位置，对接收到的通信数据进行均衡处理，得到均衡后的通信数据。之后，可对上述均衡后的通信数据进行解调，得到解调后的通信数据，并送往信宿。其中，上述光源位置携带于上述定位信息中或者为接收机所已知。而接收机的位置信息可根据上述定位信息采用定位算法计算得出。本申请提供的方案中，将可见光通信功能和可见光定位功能协同，采用定位信息确定接收机位置，进而根据由定位信息计算得到的接收机位置，并依据接收机位置和光源位置实现信道估计和均衡，以对抗多径效应对通信信号的影响。
在一个可能的设计中，上述“根据上述接收机的位置信息和各光源位置，对接收到的通信数据进行均衡处理”可进一步包括：根据上述接收机的位置信息和各光源位置，确定目标均衡器系数；采用上述目标均衡器系数对上述接收到的通信数据进行均衡处理。其中，目标均衡器系数可通过实时计算确定。更具体的，目标均衡器系数可通过如下方式确定：根据上述接收机的位置信息和各光源位置，估算各视距LOS链路的时域冲激响应；将所有LOS链路的时域冲激响应相加，得到总LOS时域冲激响应hLOS(t)；对上述hLOS(t)进行傅立叶变换，得到总LOS频域传递函数HLOS(f)；对上述HLOS(f)进行取反处理，得到时域均衡器系数对应的频域传递函数HEQ(f)；根据上述HEQ(f)计算得到上述目标均衡器系数。需要说明的是，接收机收到的通信数据光信号是来自每个光源的LOS分量和NLOS分量的总和，并且，LOS分量占主导地位。由于可见光通信系统是强度调制直接检测系统，因此若接收机位置和各光源位置已知，就能计算出只包含LOS分量的多径信道时域冲激响应hLOS(t)或者频域传递函数HLOS(f)，统称为估算直射型信道函数。而在LOS分量占主导地位的情况下，上述直射型信道函数可作为多径信道的信道估计结果。在本实施例中，可避免使用复杂的自适应算法来做信道估计，采用更为直接的方法来进行信道估计。
在一个可能的设计中，上述目标均衡器系数具体可为目标时域均衡器系数；而上述“根据上述HEQ(f)计算得到上述目标均衡器系数”可包括：对上述HEQ(f)进行傅立叶逆变换，得到目标时域均衡器系数hEQ(t)；相应的，上述“采用上述目标均衡器系数对上述接收到的通信数据进行均衡处理”可进一步包括：采用第一采样率对接收到的通信数据进行采样，得到离散化的通信数据r(n)；采用上述第一采样率对上述hEQ(t)进行采样，得到离散时域均衡器系数hEQ(n)；将上述r(n)与上述hEQ(n)相卷积，得到均衡后的时域通信数据。在本实施例中，使用目标时域均衡器系数在时域对通信数据r(t)进行均衡。与使用训练序列的现有技术相比，在本实施例中不再使用训练序列，而是采用定位信息确定接收机位置，进而根据定位信息计算得到的接收机位置，并依据接收机位置和光源位置实现信道估计和均衡，以对抗多径效应对通信信号的影响。由于定位信息所占比重很小，本实施例所提供的技术方案增大了通信数据的比重，可在提升传输效率的同时对信号进行均衡。而与采用多载波OFDM的现有技术相比，在本实施例中，也避免了采用多载波OFDM技术，依然是单载波传输，且没有采用保护间隔。从而可有效避免前述提及的多载波OFDM技术存在的问题。
在一个可能的设计中，上述目标均衡器系数具体可为目标频域均衡器系数；而上述“根据上述HEQ(f)计算得到目标均衡器系数”可进一步包括：采用第二采样率对上述HEQ(f)进行采样，得到目标离散频域均衡器系数HEQ(k)，上述第二采样率为快速傅利叶FFT变换点数；而上述“采用上述目标均衡器系数对上述接收到的通信数据进行均衡处理”可进一步包括：采用第一采样率对接收到的通信数据进行采样，得到离散化的通信数据r(n)；将上述离散化的通信数据r(n)进行FFT变换，得到频域离散通信数据R(k)；将上述R(k)与上述HEQ(k)相乘，得到均衡后的频域通信数据对上述均衡后的频域通信数据进行快速傅立叶逆变换IFFT，得到均衡后的时域通信数据。在本实施例中，使用目标频域均衡器系数在频域对通信数据进行均衡，然后再进行IFFT变换，得到均衡后的时域通信数据。在本实施例中不再使用训练序列，而是采用定位信息确定接收机位置，进而根据定位信息计算得到的接收机位置，并依据接收机位置和光源位置实现信道估计和均衡，以对抗多径效应对通信信号的影响。由于定位信息所占比重很小，本实施例所提供的技术方案增大了通信数据的比重，可在提升传输效率的同时对信号进行均衡。而与采用多载波OFDM的现有技术相比，在本实施例中，也避免了采用多载波OFDM技术，依然是单载波传输，且没有采用保护间隔。从而可有效避免前述提及的多载波OFDM技术存在的问题。
在一个可能的设计中，上述目标均衡器系数可通过查询对应关系表确定；上述对应关系表中包含指定空间中的子空间与均衡器系数的对应关系。相应的，上述“根据上述接收机的位置信息和各光源位置，确定目标均衡器系数”可进一步包括：根据上述接收机的位置信息，确定上述接收机所归属的目标子空间；查找上述对应关系表，得到上述目标子空间对应的均衡器系数作为上述目标均衡器系数。若目标均衡器系数为时域均衡器系数，可采用前述介绍的时域均衡方式对通信数据进行时域均衡，而若目标均衡器系数为频域均衡器系数，可采用前述介绍的频域均衡方式对通信数据进行频域均衡。在本实施例中，只需要在定位后进行简单的查表步骤就能够得到相应的均衡器系数。因此，进一步降低了实时均衡的计算复杂度，进而降低了接收机对通信数据进行均衡的实时处理时延和实时处理能耗。
又一方面，本申请实施例提供了一种可见光通信接收机，该数据访问节点具有实现上述方法实际中接收机行为的功能。所述功能可以通过硬件实现，也可以通过硬件执行相应的软件实现。
又一方面，本申请实施例提供了一种可见光通信系统，包括可见光通信发射机以及上述的可见光通信接收机，该可见光通信接收机具有实现上述方法实际中接收机行为的功能。所述功能可以通过硬件实现，也可以通过硬件执行相应的软件实现。
又一方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面所述的方法。
又一方面，本申请提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面所述的方法。
相较于现有技术，本申请提供的方案中，采用定位信息确定接收机位置，进而根据由定位信息计算得到的接收机位置，并依据接收机位置和光源位置实现信道估计和均衡，以对抗多径效应对通信信号的影响。
附图说明
图1a为多径效应示意图；
图1b为发送训练序列和通信数据的示意图；
图2a和图2b为本申请实施例提供的可见光通信系统的示例性结构图；
图3、5为本申请实施例提供的均衡方法的示例性流程图；
图4为本申请实施例提供的第i个光源的LOS链路中光信号出射、入射示意图；
图2c、图6为本申请实施例提供的可见光通信接收机的示例性结构图；
图7为本申请实施例提供的子空间划分示意图；
图8a-图8c为本申请实施例提供的误码率对比示意图。
具体实施方式
为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词、简写或缩写总结解释如下：
LED：Light-emitting Diode，发光二极管；
GPS：Global Position System，全球定位系统；
OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用；
LOS：Line of Sight，视距；
NLOS：Non Line of Sight，非视距；
FFT：Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换；
IFT：Inverse Fourier Transform，傅立叶逆变换；
IFFT：Inverse Fast Fourier Transform，快速傅立叶逆变换；
FOV：Field of View，视场角；
视距链路：满足视距条件的通信链路称为视距链路；在视距条件下，无线信号无遮挡地在发射机与接收机之间直线传播，特征是点对点传输；
非视距链路：满足非视距条件的通信链路称为非视距链路；在非视距条件下，无线信号没有在发射机与接收机之间直线传播，也就是无线信号可能发生了反射、衍射、绕射等，但最后还是能被接收机收到；
强度调制直接检测：在光通信系统中，发送端用所传输的电信号去改变光信号的强度，在接收端，会对强度调制的光载无线信号直接进行包络检测，也就是说强度调制信号直接通过光电探测器则可恢复出原信号；
多径效应：可见光通信中的多径效应，主要是由来自视距链路的信号分量和非视距链路的信号分量，到达接收机时间不同引起的。其中非视距链路信号主要来自墙面、天花板、地面等表面反射，各分量根据到达接收端的不同时延进行非相干相叠加而造成干扰，使得原来的信号失真；
码间干扰：指同一信号由于多径传输在接收端相互重叠而产生的干扰；
半功率角：指发光功率值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角；
视场角：在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两边缘为两条边所构成的夹角，称为视场角。在可见光通信中，视场角的大小决定了光接收机能收到信号的视野范围，视场角越大，视野就越大，能收到的信号能量就越高；通俗地说，视场角外的信号就不会被光接收机接收了。
前述提及了，可见光通信中存在多径效应。
在一种现有方式中，为了对通信数据进行均衡以减轻多径效应的影响，请参见图1b，发射机必须周期性地发送已知的定长训练序列(典型的训练序列是伪随机信号或是一串预先指定的数据位)，而紧跟在训练序列后被传送的是通信数据。接收机会将收到的训练序列和已知的发送训练序列作比较，进而评估信道特性，并且修正均衡器系数以对信道做出补偿，以实现对收到的通信数据进行均衡。
当接收机移动时，信道会不断变化，此时均衡器需通过自适应算法不断调整均衡器系数，直至自适应算法达到收敛状态，从而用收敛稳定的均衡器系数对收到的通信数据进行均衡。
因此，上述均衡方式存在以下缺点：
一，通信数据的信息传输效率低；
二，自适应算法计算量大，收敛时间长，阻碍了其在实际移动终端中的应用。
此外，在另一种现有方式中，采用多载波正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)技术以减轻多径效应的影响，其原理是：
将信道分成若干正交子信道，将通信数据转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输，以此来等效延长通信数据的码元长度，达到均衡的效果。
为进一步抵抗多径效应，在OFDM码元前还需要插入循环前缀作为保护间隔。
其缺点是：
一，通信数据的信息传输效率低；
二，OFDM信号峰均比高，极易进入LED非线性工作区，引起信号畸变，影响系统传输性能。
转而说到涉及可见光的技术，除可见光通信技术外，还有可见光定位技术。其中，室内可见光定位技术因其绿色环保、高精度等优势正在慢慢普及，出现了很多基于位置信息的热点应用，如可见光超市导航、精准广告推送、可见光室内停车场、井下定位、室内展馆导航、盲人导航等。
需要说明的是，可见光定位与可见光通信相比，二者目的不同，可见光通信目的是对文字、图片、视频、数据等业务数据进行传输，可见光定位目的是获取接收机的位置。
因此，虽然可见光定位系统与可见光通信系统都包含发射机和接收机，但其处理流程并不相同。
目前，可见光通信系统中没有融入定位功能，可见光定位系统中也没有融入通信功能。
为解决上述问题，本申请提出了可见光通信中抗多径效应的均衡方法及相关装置，在本申请中，可将可见光通信功能和可见光定位功能协同，利用由定位信息得到的接收机位置来进行信道估计和均衡，以对抗多径效应对通信信号的影响。
上述相关装置可包括：可见光通信接收机和可见光通信系统。
请参见图2a，上述可见光通信系统可包括可见光通信发射机201和可见光通信接收机202。
可见光通信发射机201和可见光通信接收机202的个数可为一个或任意多个，为方便描述，本申请实施例将以一个可见光通信发射机201和一个可见光通信接收机202为例进行说明。需要注意的是，任一可见光通信发射机201和任一可见光通信接收机202之间，均可使用本申请提供的均衡方法对抗多径效应。
其中：
光通信发射机201一侧主要负责：将信源发出的通信数据s(t)和定位信息，通过调制单元和LED驱动单元将信号调制到LED光源，并发送到多径信道中。
上述定位信息是为实现定位功能所发的信息，定位信息根据不同的定位策略有不同的实现形式，在一个示例中，定位信息可包含LED光源的位置坐标。
需要说明的是，LED光源的个数至少为三个，以保证接收机可以通过三点定位法来获取自己的位置。所有LED光源同时发送相同的通信数据。而由于不同的LED光源其位置坐标不同，所以，不同LED光源发送的光信号中携带的定位信息彼此不同，且能够被接收机分离。
可见光通信系统中的发射机和接收机需位于同一空间坐标系中。以室内可见光通信系统为例，上述LED光源的位置坐标是以室内空间坐标系为参照的三维坐标。同理，后续将提到的接收机位置，也是以室内空间坐标系为参照的三维坐标。
此外，上述通信数据s(t)和定位信息，可同时发送或先后发送。在先后发送时，可先发送携带定位信息的光信号。
而可见光通信接收机202，则可根据上述定位信息进行定位，得到接收机位置，根据接收机位置进行信道估计，对接收到的通信数据进行均衡，以克服多径效应的影响。
上述可见光通信系统可应用于室内光通信场景或室外光通信场景。
在室内光通信场景中，可见光通信发射机201可设置在室内照明灯上，可见光通信发射机201的LED光源可作为室内照明灯的光源，提供室内照明；
而光通信接收机202可安装于各种形式的用户设备(User Equipment，简称UE)、数码相机、电脑显示器、电视机、录像设备等，其中，用户设备可包含智能手机、iPod等。
这样，UE可从室内照明灯处下载通信数据。
当然，上述UE也可安装可见光通信发射机，而在室内照明灯上也可安装可见光通信接收机，这样可实现UE上传通信数据；
在室外光通信场景中，可见光通信发射机201示例性得可设置在隧道照明灯、交通指示灯等设备上面，而光通信接收机202可安装于各种形式的交通工具之上，例如火车、机动车等。
当然，上述交通工具也可安装可见光通信发射机，而在隧道照明灯、交通指示灯等上也可安装可见光通信接收机，在此不作赘述。
请参见图2b，可见光通信接收机202示例性得可包括光电转换单元21、信号分离单元22、定位信息处理单元23、信道估计单元24、均衡单元25和解调单元26。各单元作用如下：
光电转换单元21主要负责将经多径信道传送的光信号转化为电信号；此时的电信号包含定位信号和受多径效应影响的通信数据r(t)；
之后，由信号分离单元22分离出定位信号和受多径信号影响的通信数据r(t)。
当然，如果定位信息和通信数据先后发送，也可不需要信号分离单元22。
光电转换单元21和信号分离单元22可集成为获取单元，用于获取由多个光源发送的定位信息和通信数据。
接下来，由定位信息处理单元23根据收到的定位信息，采用定位算法计算得到接收机的位置信息，并将接收机位置发送给信道估计单元24。此外，定位信息处理单元23还可将接收机位置信息发往信宿，完成定位功能。
信道估计单元24则会根据接收机位置和光源位置对可见光多径信道进行信道估计，得到信道估计结果。
相同的通信数据光信号，会经LOS链路和NLOS链路一起进入接收机。经LOS链路进入接收机的信号分量可简称为LOS信号分量，而经NLOS链路进入接收机的信号分量可简称为NLOS信号分量。因此，接收机收到的通信数据光信号是：来自每个光源的LOS分量和NLOS分量的总和，并且，LOS分量占主导地位。
由于可见光通信系统是强度调制直接检测系统，因此若接收机位置和各光源位置已知，就能计算出只包含LOS分量的多径信道时域冲激响应或者频域传递函数，统称为估算直射型信道函数。
在LOS分量占主导地位的情况下，上述直射型信道函数可作为多径信道的信道估计结果。
均衡单元25则会根据信道估计结果，对受多径信号影响的通信数据r(t)通信数据进行时域均衡或频域均衡，将均衡后的通信数据发送给解调单元26；
解调单元26会对均衡后的通信数据进行解调，并发往信宿，完成通信功能。
需要说明的是，信道估计单元24、均衡单元25和解调单元26可为相互独立的器件，或者，也可集成在调制解调器(或称为处理单元)中。或者，信道估计单元24和均衡单元25可集成在同一芯片中，而解调单元26的功能由调制解调器完成。
图2c示出了上述可见光通信接收机202的另一种可能的结构示意图，其可包括：总线、控制器/处理器1、存储器2、光电探测器3等。处理器1、存储器2、光电探测器3可通过总线相互连接。
可选地，可见光通信接收机202还可以包括信宿。信宿是所传输通信数据(如图片、视频等)和接收机位置信息最终的归宿，信宿可以是UE上的一个显示器，显示屏、播音器等。
其中：
总线可包括一通路，在计算机系统各个部件之间传送信息。
控制器/处理器1可以是通用处理器，例如通用中央处理器(CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)、微处理器等，也可以是特定应用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)，或一个或多个用于控制本申请方案程序执行的集成电路。还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。控制器/处理器1也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等等。
光电探测器3可进行光电转换，将光信号转换为电信号。
当然，光电探测器3与控制器/处理器1之间，还可设计处理电路，例如信号放大电路等，在此不作赘述。
光电探测器和上述处理电路组合，可实现上述光电转换单元21的功能。
存储器2中保存有执行本申请技术方案的程序，还可以保存有操作系统和其他应用程序。具体地，程序可以包括程序代码，程序代码包括计算机操作指令。更具体的，存储器2可以是只读存储器(read-only memory，ROM)、可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备、随机存取存储器(random access memory，RAM)、可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备、磁盘存储器等等。
控制器/处理器1执行存储器2中所存放的程序，以及调用其他设备，可用于实现下述图3、5所示实施例提供的均衡方法,以及，可实现前述信号分离单元22、定位信息处理单元23、信道估计单元24、均衡单元25和解调单元26的全部或部分功能。
可以理解的是，图2c仅仅示出了可见光通信接收机202的简化设计。在实际应用中，可见光通信接收机202可以包含任意数量的处理器、存储器、光电探测器等，而所有可以实现本申请的可见光通信接收机202都在本申请的保护范围之内。
下面将基于上面的本申请涉及的共性方面，对本申请实施例进一步详细说明。
图3示出了上述可见光通信系统(主要是可见光通信接收机202)所执行的均衡方法的一种示例性流程。在本实施例中，在时域对通信数据r(t)进行均衡。
上述示例性流程包括：
300：可见光通信发射机将定位信息和(第一)通信数据s(t)一起发送。
更具体的，可采用时分复用、频分复用或码分复用的方式，来同时发送定位信息和通信数据s(t)。
以时分复用为例，可在一个数据包的不同字段发送定位信息和通信数据s(t)，也可在一个数据帧的不同时段发送定位信息和通信数据s(t)。
至于频分复用，则可同时在不同频段发送定位信息和通信数据s(t)。
当然，定位信息和通信数据是承载在光信号中传输的。
定位信息和通信数据在光通信发射机侧的处理可参见前述记载，在此不作赘述。
301：可见光通信接收机获取经多径信道传输的定位信息和(第二)通信数据r(t)；
由于经多径信道传输，原始的通信数据s(t)发生了形变，成为受多径效应影响的通信数据r(t)。
更具体的，光电转换单元21会将经多径信道传输的光信号进行光电转化，得到包含定位信息和通信数据r(t)的电信号；
而信号分离单元22会从上述电信号中分离出定位信号和通信数据r(t)。
前已述及，定位信息和第一通信数据s(t)可采用时分复用、频分复用或码分复用来同时发送，故采用相应的解调技术就能将两者分开出来。
302：可见光通信接收机根据定位信息，计算得到接收机自身的位置信息(简称接收机位置信息)。
计算位置的方式有多种，例如几何测量方式、场景分析方式、近似感知方式等，在此不作赘述。
可由前述的定位信息处理单元23执行步骤302。
303：可见光通信接收机根据接收机位置和各光源位置，估算各LOS链路(或各LOS信号分量)的时域冲激响应。
可由前述信道估计单元24执行步骤303。
假定共N个光源，则这N个光源到可见光通信接收机共N条LOS链路。可用i(1≤i≤N)表示N个光源中的任一光源，或表示任一条LOS链路。
请参见图4，φi表示信号从第i个光源到接收机的发射角，θi表示信号从第i个光源到接收机的入射角，Di表示信号从第i个光源到接收机的距离，则第i个光源的LOS链路的时域冲激响应hi(t)可用下述公式一计算：
其中，m是朗伯光源的朗伯发射阶数，其可由光源的照明半功率角定义为：m＝ln2/ln cos(半功率角)；
aR是光电转换单元21中光电探测器的面积；
δ代表冲激函数；
FOV代表接收机的视场角，在视场角之外的信号将不被接收，所以当θi＞FOV时，hi(t)＝0；
c表示光速，t代表时间变量，Di/c表示从第i个光源到接收机的传输时延。
第i个光源的LOS链路的时域冲激响应可理解为第i个光源只包含LOS分量的多径信道时域冲激响应。
304：可见光通信接收机将所有LOS链路的时域冲激响应相加，得到总LOS时域冲激响应(即前述只包含LOS分量的多径信道时域冲激响应)。
可由前述信道估计单元24执行步骤304。
信道估计单元24可通过下述公式二得到总LOS时域冲激响应hLOS(t)：
305：可见光通信接收机将总LOS时域冲激响应hLOS(t)，变换为总LOS频域传递函数HLOS(f)。
可由前述信道估计单元24执行步骤305。
HLOS(f)可表示为：
其中，f表示频率变量，hLOS(t)与HLOS(f)是一对傅立叶变换对，可通过傅立叶变换，将hLOS(t)变换为HLOS(f)。
306：可见光通信接收机对HLOS(f)进行取反处理，得到时域均衡器系数对应的频域传递函数HEQ(f)；
也即，HEQ(f)＝1/HLOS(f)。下标EQ表示均衡。
可由前述信道估计单元24或均衡单元25执行步骤306。
307：可见光通信接收机对上述频域传递函数HEQ(f)进行IFT变换，得到时域均衡器系数hEQ(t)。
需要说明的是，本步骤是基于时域的迫零算法设计的。在时域迫零算法中，会令时域通信数据与均衡器的冲激响应进行卷积来实现均衡。而时域冲激响应可通过对频域传递函数进行IFT变换得到。
步骤306和307也可统称为：根据HLOS(f)计算得到时域均衡器系数。
或者，步骤305-307可统称为：根据总LOS时域冲激响应hLOS(t)计算得到时域均衡器系数。
可由前述信道估计单元24或均衡单元25执行步骤307。在由信道估计单元24执行步骤307后，信道估计单元24需将hEQ(t)发送给均衡单元25，由均衡单元25执行下述步骤308。
308：可见光通信接收机根据对通信数据r(t)的采样率(可称为第一采样率)，将hEQ(t)离散化，得到离散时域均衡器系数hEQ(n)。
其中，第一采样率满足奈奎斯特定理(采样定理)。
如把视为hEQ(t)时域上连续的曲线，则步骤308实现的是，根据第一采样率对hEQ(t)进行采样，得到时域上离散化的数据，这些数据用hEQ(n)表示。
309：可见光通信接收机将离散化的通信数据r(n)与hEQ(n)相卷积，得到均衡后的时域通信数据以完成时域均衡。
通信数据r(n)是通过对通信数据r(t)采用第一采样率进行采样而得到的。
可以表示为：
其中，hchannel(t)表示多径信道的时域冲激响应，n(t)为传输过程中的噪声,*代表卷积运算。
由于LOS链路的信号分量在总接收信号中占主导地位，故采用根据LOS链路所计算出来的hEQ(t)进行均衡，能基本抵消hchannel(t)对通信数据的影响。
因此本实施例中，利用仅包含LOS分量的理论时域冲激响应就能够进行有效的均衡。
可由前述均衡单元25执行步骤309。
310：可见光通信接收机对均衡后的时域通信数据进行解调，并发往信宿。
在一个示例中，可由均衡单元25将发送给解调单元26进行解调，解调单元26将解调数据发往信宿，完成通信功能。
可见，与使用训练序列的现有技术相比，在本实施例中不再使用训练序列，而是采用定位信息确定接收机位置，进而根据定位信息计算得到的接收机位置，并依据接收机位置和光源位置实现信道估计和均衡，以对抗多径效应对通信信号的影响。
由于定位信息所占比重很小，本实施例所提供的技术方案增大了通信数据的比重，可在提升传输效率的同时对信号进行均衡。
并且，可避免使用复杂的自适应算法来做信道估计和均衡，采用更为直接的方法来降低多径效应对通信数据的影响。
而与采用多载波OFDM的现有技术相比，在本实施例中，也避免了采用多载波OFDM技术，依然是单载波传输，且没有采用保护间隔。从而可有效避免前述提及的多载波OFDM技术存在的问题。
此外，需要说明的是，本申请所提供的方案或思路可同样应用于OFDM系统中。
与此同时，本实施例所提供的技术方案，建立起可见光定位与可见光通信二者之间的关联性和协同性，充分挖掘了定位信息的价值，用定位信息来辅助通信数据在多径信道下进行恢复，真正使得通信也作为了一项基于位置信息的热点服务。
图5示出了上述可见光通信系统(主要是可见光通信接收机202)所执行的均衡方法的另一种示例性流程。需要说明的是，与前一实施例相区别的是，在本实施例中，是在频域进行均衡。
上述示例性流程包括：
步骤500至506与前述实施例的步骤300-306相同，在此不作赘述。
507：可见光通信接收机根据第一采样率将通信数据r(t)离散化，得到离散化的通信数据r(n)；
可由均衡单元25执行步骤507。
其中，第一采样率满足奈奎斯特定理(采样定理)。
如把r(t)视为时域上连续的曲线，则步骤507实现的是，根据第一采样率对r(t)进行采样，得到时域上离散化的数据，这些数据用r(n)表示。
508：可见光通信接收机将离散化的通信数据r(n)进行FFT变换，得到频域离散通信数据R(k)；
用公式可表示为：R(k)＝FFT(r(n))。
更具体的，可根据第一FFT变换点数对r(n)进行FFT变换。第一FFT变换点数可为128、256、512、1024、1536或2048。如何进行FFT变换可参见现有方式，在此不作赘述。
可由均衡单元25执行步骤508。
509：可见光通信接收机根据第二FFT变换点数(或称第二采样率)，将时域均衡器系数对应的频域传递函数HEQ(f)离散化为离散频域均衡器系数HEQ(k)。
假定在步骤509中，是根据第二FFT变换点数将HEQ(f)离散化为HEQ(k)的。则：
在一个示例中，第一FFT变换点数与第二FFT变换点数相等。举例来讲，若根据512点对r(n)进行FFT变换，则在频域上，可按512点的频域采样率对HEQ(f)进行采样，得到包含512点数据的HEQ(k)。
在另一个示例中，第二FFT变换点数可为第一FFT变换点数的正整数倍N。例如，若第一FFT变换点数为512，则第二FFT变换点数可为512、1024等。
以第一FFT变换点数为512例，可先在r(n)后面补(N-1)*512个“0”得到r’(n)，在根据N*512点对r’(n)进行FFT变换后，可得到N*512点的R(k)。若N＝2，则R(k)为1024点。
对于HEQ(f)，可按1024点的频域采样率进行采样，得到包含1024点数据的HEQ(k)。
可见，R(k)与HEQ(k)点数相同。
510：可见光通信接收机将R(k)与HEQ(k)相乘，得到均衡后的频域通信数据完成频域均衡。
可由前述均衡单元25执行步骤510。
可以表示为：
其中，S(f)表示原始的频域通信数据，Hchannel(f)表示多径信道的频域传递函数，N(f)为传输过程中的噪声的频域表达，·代表乘法运算。
由于LOS链路的信号分量在总接收信号中占主导地位，故采用根据LOS链路所计算出来的HEQ(f)进行均衡，能基本抵消Hchannel(f)对通信数据的影响。
511：可见光通信接收机对均衡后的频域通信数据进行IFFT变换，得到均衡后的时域通信数据
由于解调是时域解调，所以需将频域通信数据进行IFFT变换。
可由前述的均衡单元25执行步骤511。
512：可见光通信接收机对均衡后的通信数据进行解调，并发往信宿。
步骤512与前述实施例中的步骤310相同，在此不作赘述。
在本实施例中，依然是采用定位信息确定接收机位置，进而根据定位信息计算得到的接收机位置，与前述实施例不同的是，本实施例依据接收机位置和光源位置实现信道估计和频域均衡，以对抗多径效应对通信信号的影响。
与前述提及的现有技术相比，本实施例所提供的技术方案同样增大了通信数据的比重，并在提升传输效率的同时对信号进行了均衡。
此外，本实施例所提供的技术方案同样可避免使用复杂的自适应算法来做信道估计和均衡，采用更为直接的方法来降低多径效应对通信数据的影响。同时，可避免采用多载波OFDM技术，依然是单载波传输，且没有采用保护间隔。从而可有效避免前述提及的多载波OFDM技术存在的问题。
此外，需要说明的是，本申请所提供的方案或思路可同样应用于OFDM系统中。
图6示出了本申请所提供的可见光通信接收机202的另一示例性结构，其适用于室内可见光通信场景。
与前述两实施例相区别的是，请参见图7，在本实施例中，将指定空间(例如可见光通信系统所在房间)划分为有限个子空间，将每个子空间的中心位置作为该子空间所有位置的代表。划分方式可依据情况灵活设计，例如根据矩形划分。
本实施例还根据已知的可见光通信发射机的所有光源位置，提前计算出每个子空间的(中心位置)对应的总LOS时域冲激响应hLOS(t)或总LOS链路频域传递函数HLOS(f)，进而得到每个子空间(中心位置)对应的均衡器系数，例如，每个子空间(中心位置)对应离散时域均衡器系数hEQ(n)或离散频域均衡器系数HEQ(k)。
上述每个子空间内的均衡器系数会预先计算好，并存储在均衡器系数存储单元27中。
更具体的，均衡器系数存储单元27会存储子空间与均衡器系数的对应关系表。
这样，在获取了经多径信道传输的定位信息和(第二)通信数据r(t)，并计算得到接收机位置信息后，可由定位数据处理单元23根据接收机位置信息，确定接收机位于哪一子空间中(可称为目标子空间)。由于每个子空间有各自的坐标范围，根据接收机位置坐标就能判断位于哪一子空间中。
之后，定位数据处理单元23可令均衡器系数存储单元27查询目标子空间对应的均衡器系数(通过查询对应关系表可确定目标子空间对应的目标均衡器系数)，然后均衡器系数存储单元27将查表结果发送给均衡单元25，由均衡单元25使用查询到的均衡器系数进行时域均衡或频域均衡。
或者，定位数据处理单元23根据接收机位置信息，确定接收机位于哪一子空间中后，会通知均衡单元25，均衡单元25调用均衡器系数存储单元27，查询该子空间对应的均衡器系数，然后均衡器系数存储单元27将查表结果发送给均衡单元25，由均衡单元25使用查询到的均衡器系数进行时域均衡或频域均衡。
时域均衡和频域均衡的相关描述请参见前述记载，在此不作赘述。
此外，在一个示例中，在划分子空间时，根据子空间大小不同分别有粗划分(2.5米*2.5米*2.5米)、中划分(0.5米*0.5米*0.5米)、细划分(0.1米*0.1米*0.1米)三种划分方案。不同方案的选取，取决于通信速率和定位精度的要求。其中，粗划分对应低速率通信或低定位精度，中划分对应中等速率通信或中等定位精度，细划分对应高速率通信或高定位精度。
本实施例中预先计算的均衡器系数同实施例一和实施例二进行实时计算得到的均衡器系数是一致的。但本实施例中的在进行实时通信时的计算复杂度较上述两个实例得到了进一步降低，只需要在定位后进行简单的查表步骤就能够得到相应的均衡器系数。因此，进一步降低了实时均衡的计算复杂度，进而降低了接收机对通信数据进行均衡的实时处理时延和实时处理能耗。
图8a-8c是可见光通信系统在不同速率(50Mbps、100Mbps、200Mbps)下，在采用本申请所提供方案前后的误码率对比。图8a-8c中，“均衡前”表示“采用本申请所提供方案前”，“均衡后”表示“采用本申请所提供方案后”。
可以看出，采用本申请提供的技术方案后，系统的误码率性能改善非常明显。
另外，在传输速率为200Mbps时，请参见图8c，在采用本申请提供的技术方案之前，存在一个误码率下界，故无法进行可靠的传输；
而在采用本申请提供的技术方案后，仅采用约13dB的信噪比就能获得10-3的误码率，故可有效提升系统所支持的传输容量。
结合本申请公开内容所描述的方法或者算法的步骤可以硬件的方式来实现，也可以是由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动硬盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。另外，该ASIC可以位于用户设备中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于用户设备中。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本申请所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种可见光通信中抗多径效应的均衡方法，其特征在于，应用于接收机，所述均衡方法包括：
获取由多个光源发送的定位信息和通信数据；
根据所述定位信息，计算得到所述接收机的位置信息；
根据所述接收机的位置信息和各光源位置，对接收到的通信数据进行均衡处理，得到均衡后的通信数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述接收机的位置信息和各光源位置，对接收到的通信数据进行均衡处理包括：
根据所述接收机的位置信息和各光源位置，确定目标均衡器系数；
采用所述目标均衡器系数对所述接收到的通信数据进行均衡处理。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标均衡器系数是通过实时计算确定的。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述接收机的位置信息接收机位置和各光源位置，确定目标均衡器系数包括：
根据所述接收机的位置信息和各光源位置，估算各视距LOS链路的时域冲激响应；
将所有LOS链路的时域冲激响应相加，得到总LOS时域冲激响应hLOS(t)；
对所述hLOS(t)进行傅立叶变换，得到总LOS频域传递函数HLOS(f)；
对所述HLOS(f)进行取反处理，得到时域均衡器系数对应的频域传递函数HEQ(f)；
根据所述HEQ(f)计算得到所述目标均衡器系数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标均衡器系数为目标时域均衡器系数；所述根据所述HEQ(f)计算得到所述目标均衡器系数包括：
对所述HEQ(f)进行傅立叶逆变换，得到目标时域均衡器系数hEQ(t)。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述采用所述目标均衡器系数对所述接收到的通信数据进行均衡处理包括：
采用第一采样率对接收到的通信数据进行采样，得到离散化的通信数据r(n)；
采用所述第一采样率对所述hEQ(t)进行采样，得到离散时域均衡器系数hEQ(n)；
将所述r(n)与所述hEQ(n)相卷积，得到均衡后的时域通信数据。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标均衡器系数为目标频域均衡器系数；所述根据所述HEQ(f)计算得到目标均衡器系数包括：
采用第二采样率对所述HEQ(f)进行采样，得到目标离散频域均衡器系数HEQ(k)，所述第二采样率为快速傅利叶FFT变换点数。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述采用所述目标均衡器系数对所述接收到的通信数据进行均衡处理包括：
采用第一采样率对接收到的通信数据进行采样，得到离散化的通信数据r(n)；
将所述离散化的通信数据r(n)进行FFT变换，得到频域离散通信数据R(k)；
将所述R(k)与所述HEQ(k)相乘，得到均衡后的频域通信数据
对所述均衡后的频域通信数据进行快速傅立叶逆变换IFFT，得到均衡后的时域通信数据。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标均衡器系数通过查询对应关系表确定；所述对应关系表中包含指定空间中的子空间与均衡器系数的对应关系。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述根据所述接收机的位置信息和各光源位置，确定目标均衡器系数包括：
根据所述接收机的位置信息，确定所述接收机所归属的目标子空间；
查找所述对应关系表，得到所述目标子空间对应的均衡器系数作为所述目标均衡器系数。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源位置携带于所述定位信息中或者为接收机所已知。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述接收机的位置信息是根据所述定位信息采用定位算法计算得出。
13.如权利要求1-12任一项所述的方法，其特征在于，还包括：对所述均衡后的通信数据进行解调，得到解调后的通信数据。
14.一种可见光通信收发机，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取由多个光源发送的定位信息和通信数据；
定位信息处理单元，用于根据所述定位信息，计算得到所述接收机的位置信息；
处理单元，用于根据所述接收机的位置信息和各光源位置，对接收到的通信数据进行均衡处理，得到均衡后的通信数据。
15.如权利要求14所述的接收机，其特征在于，在所述根据所述接收机的位置信息和各光源位置，对接收到的通信数据进行均衡处理的方面，所述处理单元具体用于：
根据所述接收机的位置信息和各光源位置，确定目标均衡器系数；
采用所述目标均衡器系数对所述接收到的通信数据进行均衡处理。
16.如权利要求15所述的接收机，其特征在于，在所述根据所述接收机的位置信息接收机位置和各光源位置，确定目标均衡器系数的方面，所述处理单元具体用于：
根据所述接收机的位置信息和各光源位置，估算各视距LOS链路的时域冲激响应；
将所有LOS链路的时域冲激响应相加，得到总LOS时域冲激响应hLOS(t)；
对所述hLOS(t)进行傅立叶变换，得到总LOS频域传递函数HLOS(f)；
对所述HLOS(f)进行取反处理，得到时域均衡器系数对应的频域传递函数HEQ(f)；
根据所述HEQ(f)计算得到所述目标均衡器系数。
17.如权利要求16所述的接收机，其特征在于，
所述目标均衡器系数为目标时域均衡器系数；
在所述根据所述HEQ(f)计算得到所述目标均衡器系数的方面，所述处理单元具体用于：
对所述HEQ(f)进行傅立叶逆变换，得到目标时域均衡器系数hEQ(t)。
18.如权利要求17所述的接收机，其特征在于，在所述采用所述目标均衡器系数对所述接收到的通信数据进行均衡处理的方面，所述处理单元具体用于：
采用第一采样率对接收到的通信数据进行采样，得到离散化的通信数据r(n)；
采用所述第一采样率对所述hEQ(t)进行采样，得到离散时域均衡器系数hEQ(n)；
将所述r(n)与所述hEQ(n)相卷积，得到均衡后的时域通信数据。
19.如权利要求16所述的接收机，其特征在于，
所述目标均衡器系数为目标频域均衡器系数；
在所述根据所述HEQ(f)计算得到目标均衡器系数的方面，所述处理单元具体用于：
采用第二采样率对所述HEQ(f)进行采样，得到目标离散频域均衡器系数HEQ(k)，所述第二采样率为快速傅利叶FFT变换点数。
20.如权利要求19所述的接收机，其特征在于，在所述采用所述目标均衡器系数对所述接收到的通信数据进行均衡处理的方面，所述处理单元具体用于：
采用第一采样率对接收到的通信数据进行采样，得到离散化的通信数据r(n)；
将所述离散化的通信数据r(n)进行FFT变换，得到频域离散通信数据R(k)；
将所述R(k)与所述HEQ(k)相乘，得到均衡后的频域通信数据
对所述均衡后的频域通信数据进行快速傅立叶逆变换IFFT，得到均衡后的时域通信数据。
21.如权利要求15所述的接收机，其特征在于，所述目标均衡器系数通过查询对应关系表确定；所述对应关系表中包含指定空间中的子空间与均衡器系数的对应关系。
22.如权利要求21所述的接收机，其特征在于，在所述根据所述接收机的位置信息和各光源位置，确定目标均衡器系数的方面，所述处理单元具体用于：
根据所述接收机的位置信息，确定所述接收机所归属的目标子空间；
查找所述对应关系表，得到所述目标子空间对应的均衡器系数作为所述目标均衡器系数。
23.如权利要求14-22任一项所述的接收机，其特征在于，所述处理单元还用于：对所述均衡后的通信数据进行解调，得到解调后的通信数据。
24.一种可见光通信系统，其特征在于，包括可见光发射机和可见光接收机，其中：
所述可见光发射机用于，发送通信数据和定位数据；
所述可见光接收机用于：
获取由多个光源发送的定位信息和通信数据；
根据所述定位信息，计算得到所述接收机的位置信息；
根据所述接收机的位置信息和各光源位置，对接收到的通信数据进行均衡处理，得到均衡后的通信数据。
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