CN109802726B - 一种功率分配方法、系统及可见光通信系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种功率分配方法、系统及多色可见光通信系统，其中，所述功率分配方法适用于色域多输入多输出模型的多色可见光通信系统，通过在约束边界条件包括照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件的情况下，通过寻找满足目标函数的功率分配方案，从而确定每个所述发光二极管的传输信号。由于所述功率分配方案由受约束边界条件的目标函数确定，使得传输信号能够同时满足通信和照明的约束条件，实现优化多色可见光通信系统中各个发光二极管的功率分配的目的，从而提升多色可见光通信系统的整体的功率效率，并且同时满足高速通信和高品质照明的要求。

Description

一种功率分配方法、系统及可见光通信系统

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，更具体地说，涉及一种功率分配方法、系统及多色可见光通信系统。

背景技术

作为一种新兴的短距离无线通信技术，可见光通信(Visible LightCommunication，VLC)具有通信和照明的双重功能。

作为可见光通信系统的发射端，传统白光LED(Light Emitting Diode，发光二极管)多为磷光转换型LED，其带宽较窄；而多色LED通过将多个不同颜色的单色光按一定比例混合，从而实现白光照明的目的，同时具有高带宽、高显色指数、对人眼安全等优势。因此，基于多色LED的可见光通信系统能够提供多路数据传输，为实现高速数据传输和高质量照明功能提供重要基础，极具发展潜力和应用前景。

现有的多色LED的可见光通信系统，通常采用等能白光的光通量分配方案，即发出不同颜色灯芯的LED所分配的光通量为确定比例，此时其色度坐标为

因此无法对功率分配方案进行优化。而针对LED产品的四边形色度限制可作为人眼区分两种颜色色度差异的统计测量，与等能白光确定的光通量分配方案相比，四边形色度约束可以提供更多的自由度来提高系统的性能，从而提升多色可见光通信系统的整体的功率效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供了一种功率分配方法、系统及多色可见光通信系统，以实现优化多色可见光通信系统中各个发光二极管的功率分配的目的，从而提升多色可见光通信系统的整体的功率效率，并且同时满足高速通信和高品质照明的要求。

为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种功率分配方法，应用于多色可见光通信系统，所述多色可见光通信系统包括N个颜色灯芯的多色发光二极管、N个光学滤波器和N个光电二极管，N≥2；所述功率分配方法包括：

获取通信照明参数信息，所述通信照明参数信息包括信道状态信息、最低信干噪比需求、用户所需亮度值、每个所述光电二极管的光通量与电流值转换系数；

获取数据源向量，并对所述数据源向量进行脉冲幅度调制，以将所述数据源向量中的数据源幅值的取值范围限定为[-1,1]；

根据目标函数和相应的约束边界条件，利用所述通信照明参数信息，获取与所述发光二极管一一对应的功率分配方案和信号放大系数；

根据与所述发光二极管一一对应的功率分配方案、信号放大系数和所述数据源向量，确定每个所述发光二极管的传输信号；

所述目标函数为：

其中，γ＝[γ₁,γ₂,…,γ_N]^T表示所述信号放大系数向量，γ_i表示第i个光电二极管的信号放大系数，c_i表示第i个光电二极管的光通量与电流值转换系数，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管所分配光通量值向量，Φ_i表示第i个发光二极管所分配光通量值；

所述目标函数的约束边界条件包括：照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件。

可选的，所述照度约束条件为：

其中，P_t表示所有所述发光二极管的总光通量，1＝[1,1,…,1]^T表示全为1的向量。

可选的，所述四边形色度约束条件为：

Kp+L≤0；其中，

表示所需色度值；K和L表示色度图中确定四边形范围的系数。

可选的，所述幅值约束条件为：

其中，I_max表示发光二极管的最大允许电流值向量，

表示阿达玛乘积；c表示光电二极管的光通量与电流值转换系数向量，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管所分配光通量值向量。

可选的，所述信干噪比约束条件为：

其中，

M表示脉冲幅度调制的调制阶数，SINR_i表示第i个发光二极管的信干噪比，h_ii表示第i个发光二极管与第i个光电二极管的信道增益，h_jj表示第j个发光二极管与第j个光电二极管的信道增益，γ_i表示第i个发光二极管的信号放大系数，γ_j表示第j个发光二极管的信号放大系数，ξ表示最小的信干噪比需求，t_ii表示第i个发光二极管的颜色增益系数，t_ij表示第j个发光二极管对第i个发光二极管的颜色串扰系数，σ²表示加性高斯白噪声的噪声方差。

一种多色可见光通信系统，包括：功率分配模块、亮度控制模块、信号传输模块、信号接收模块和信号检测模块；所述信号传输模块包括N个颜色灯芯的多色发光二极管；所述信号接收模块包括N个光学滤波器和N个光电二极管；第i个所述发光二极管、第i个光学滤波器和第i个光电二极管构成第i个信号传输信道；其中，

所述功率分配模块，用于根据上述任一项所述的功率分配方法，确定包含数据源信息的传输信号；

所述亮度控制模块，用于向所述发光二极管提供直流偏置信号，以实现所述发光二极管的亮度控制；

所述信号传输模块，用于利用所述发光二极管将所述传输信号转化为需要发送的传输光信号；

所述信号接收模块，用于利用所述光学滤波器和光电二极管对所述传输光信号进行接收，并将接收到的所述传输光信号转换为电信号；

所述信号检测模块，用于对所接收到的包含加性高斯白噪声的电信号进行检测提取，从而恢复原始数据信息。

一种功率分配系统，应用于多色可见光通信系统，所述多色可见光通信系统包括N个颜色灯芯的多色发光二极管、N个光学滤波器和N个光电二极管，N≥2；所述功率分配系统包括：

通信照明参数获取模块，用于获取通信照明参数信息，所述通信照明参数信息包括信道状态信息、最低信干噪比需求、用户所需亮度值、每个所述光电二极管的光通量与电流值转换系数；

信号调制模块，用于获取数据源向量，并对所述数据源向量进行脉冲幅度调制，以将所述数据源向量中的数据源幅值的取值范围限定为[-1,1]；

功率分配方案确定模块，根据目标函数和相应的约束边界条件，利用所述通信照明参数信息，获取与所述发光二极管一一对应的功率分配方案和信号放大系数；

传输信号确定模块，用于根据与所述发光二极管一一对应的功率分配方案、信号放大系数和所述数据源向量，确定每个所述发光二极管的传输信号；

所述目标函数为：

其中，γ＝[γ₁,γ₂,…,γ_N]^T表示所述信号放大系数向量，γ_i表示第i个光电二极管的信号放大系数，c_i表示第i个光电二极管的光通量与电流值转换系数，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管的所分配光通量值向量，Φ_i表示第i个发光二极管的所分配光通量值；

所述目标函数的约束边界条件包括：照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件。

可选的，所述照度约束条件为：

其中，P_t表示所有所述发光二极管的总光通量，1＝[1,1,…,1]^T表示全为1的向量。

可选的，所述四边形色度约束条件为：

Kp+L≤0；其中，

表示所需色度值；K和L表示色度图中确定四边形范围的系数。

可选的，所述幅值约束条件为：

其中，I_max表示发光二极管的最大允许电流值向量，

表示阿达玛乘积；c表示光电二极管的光通量与电流值转换系数向量，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管的所分配光通量值向量。

可选的，所述信干噪比约束条件为：

其中，

M表示脉冲幅度调制的调制阶数，SINR_i表示第i个发光二极管的信干噪比，h_ii表示第i个发光二极管与第i个光电二极管的信道增益，h_jj表示第j个发光二极管与第j个光电二极管的信道增益，γ_i表示第i个发光二极管的信号放大系数，γ_j表示第j个发光二极管的信号放大系数，ξ表示最小的信干噪比需求，t_ii表示第i个发光二极管的颜色增益系数，t_ij表示第j个发光二极管对第i个发光二极管的颜色串扰系数，σ²表示加性高斯白噪声的噪声方差。

从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种功率分配方法、系统及多色可见光通信系统，其中，所述功率分配方法适用于色域多输入多输出模型的多色可见光通信系统，通过在约束边界条件包括照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件的情况下，通过寻找满足目标函数的功率分配方案，从而确定每个所述发光二极管的传输信号。由于所述功率分配方案由受约束边界条件的目标函数确定，使得传输信号能够同时满足通信和照明的约束条件，实现优化多色可见光通信系统中各个发光二极管的功率分配的目的，从而提升多色可见光通信系统的整体的功率效率，并且同时满足高速通信和高品质照明的要求。

并且，由于所述目标函数的约束边界条件中引入了四边形色度约束条件，与现有技术中的固定色度点相比，四边形色度约束条件可以提供更高的自由度来提高可见光通信系统的性能。

进一步的，通过所述功率分配方法可以在任意给定所需相关色温值的情况下，均能够得到最优的功率分配方案。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为CIE1931色度图的示意图；

图2为RAGB-LED的光谱模型示意图；

图3为本申请的一个实施例提供的一种功率分配方法的流程示意图；

图4为本申请的一个实施例提供的一种多色可见光通信系统的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术中的多色LED的可见光通信系统的功率分配方案中，通常仅考虑提升通信性能而忽略实际的照明需求，采用的等能白光的光通量分配方案，其不同颜色灯芯的LED所分配的光通量为确定比例，无法对功率分配方案进行优化。

下面对多色LED的可见光通信系统中，可能产生多色串扰的原因进行简单说明：

色度是人眼感知颜色的基本特征，在CIE(Commission Internationale de l’Eclairage，国际照明委员会)1931色度图中，每一点都代表一种确定的颜色，其色度坐标为(x,y)，如图1所示，因此第i个单色LED的色度坐标可表示为(x_i,y_i)。根据Grassmann定律，所需的混合光的色度坐标可表示为：

其中，

和

是常数系数，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T为各个单色LED所分配的光通量值。

由于人眼对颜色识别能力有限，当两个色度点靠的很近时，人眼是不能分辨的。根据ANSIC78.377-2015标准，四边形色度约束制可作为区分LED产品两种颜色色度差异的统计测量，如果色度点在四边形范围内移动，人眼注意不到光的颜色变化。与固定色度点相比，四边形色度约束可以提供更高的自由度来提高系统的性能。

基于多色LED的VLC系统存在固有的重叠光谱串扰问题，其光谱功率分布(Spectral Power Distribution，SPD)可以建模为：

其中，S()表示光的谱功率分布，可以用函数g()来表示，g()表示关于λ、λ₀和Δλ_0.5的函数，λ表示波长；λ₀和Δλ_0.5分别表示峰值波长和半谱宽。例如，在300K温度下，我们得到RAGB-LED的光谱模型如图2所示。

从图2中可以看出，多色LED的重叠光谱可能会导致颜色串扰问题，而滤光片无法完全分离干扰光，同时颜色串扰问题通常只发生在两个相邻的色带之间。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种功率分配方法，应用于多色可见光通信系统，所述多色可见光通信系统包括N个颜色灯芯的多色发光二极管、N个光学滤波器和N个光电二极管，N≥2；所述功率分配方法包括：

获取通信照明参数信息，所述通信照明参数信息包括信道状态信息、最低信干噪比需求、用户所需亮度值、每个所述光电二极管的光通量与电流值转换系数；

获取数据源向量，并对所述数据源向量进行脉冲幅度调制，以将所述数据源向量中的数据源幅值的取值范围限定为[-1,1]；

根据目标函数和相应的约束边界条件，利用所述通信照明参数信息，获取与所述发光二极管一一对应的功率分配方案和信号放大系数；

根据与所述发光二极管一一对应的功率分配方案、信号放大系数和所述数据源向量，确定每个所述发光二极管的传输信号；

所述目标函数为：

其中，γ＝[γ₁,γ₂,…,γ_N]^T表示所述信号放大系数向量，γ_i表示第i个光电二极管的信号放大系数，c_i表示第i个光电二极管的光通量与电流值转换系数，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管的所分配光通量值向量，Φ_i表示第i个发光二极管的所分配光通量值；；

所述目标函数的约束边界条件包括：照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件。

所述功率分配方法适用于色域多输入多输出模型的多色可见光通信系统，通过在约束边界条件包括照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件的情况下，通过寻找满足目标函数的功率分配方案，从而确定每个所述发光二极管的传输信号。由于所述功率分配方案由受约束边界条件的目标函数确定，使得传输信号能够同时满足通信和照明的约束条件，实现优化多色可见光通信系统中各个发光二极管的功率分配的目的，从而提升多色可见光通信系统的整体的功率效率，并且同时满足高速通信和高品质照明的要求。

并且，由于所述目标函数的约束边界条件中引入了四边形色度约束条件，与现有技术中的固定色度点相比，四边形色度约束条件可以提供更高的自由度来提高可见光通信系统的性能。

进一步的，通过所述功率分配方法可以在任意给定所需相关色温值的情况下，均能够得到最优的功率分配方案。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种功率分配方法，如图3所示，应用于多色可见光通信系统，所述多色可见光通信系统包括N个颜色灯芯的多色发光二极管、N个光学滤波器和N个光电二极管，N≥2；所述功率分配方法包括：

S101：获取通信照明参数信息，所述通信照明参数信息包括信道状态信息、最低信干噪比需求、用户所需亮度值、每个所述光电二极管的光通量与电流值转换系数；

S102：获取数据源向量，并对所述数据源向量进行脉冲幅度调制，以将所述数据源向量中的数据源幅值的取值范围限定为[-1,1]；

S103：根据目标函数和相应的约束边界条件，利用所述通信照明参数信息，获取与所述发光二极管一一对应的功率分配方案和信号放大系数；

S104：根据与所述发光二极管一一对应的功率分配方案、信号放大系数和所述数据源向量，确定每个所述发光二极管的传输信号；

所述目标函数为：

其中，γ＝[γ₁,γ₂,…,γ_N]^T表示所述信号放大系数向量，γ_i表示第i个光电二极管的信号放大系数，c_i表示第i个光电二极管的光通量与电流值转换系数，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管的所分配光通量值向量，Φ_i表示第i个发光二极管的所分配光通量值；

所述目标函数的约束边界条件包括：照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件。

在本实施例中，所述功率分配方法适用于色域多输入多输出模型的多色可见光通信系统，通过在约束边界条件包括照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件的情况下，通过寻找满足目标函数的功率分配方案，从而确定每个所述发光二极管的传输信号。由于所述功率分配方案由受约束边界条件的目标函数确定，使得传输信号能够同时满足通信和照明的约束条件，实现优化多色可见光通信系统中各个发光二极管的功率分配的目的，从而提升多色可见光通信系统的整体的功率效率，并且同时满足高速通信和高品质照明的要求。

并且，由于所述目标函数的约束边界条件中引入了四边形色度约束条件，与现有技术中的固定色度点相比，四边形色度约束条件可以提供更高的自由度来提高可见光通信系统的性能。

进一步的，通过所述功率分配方法可以在任意给定所需相关色温值的情况下，均能够得到最优的功率分配方案。

色域多输入多输出模型的多色可见光通信系统参考图4，图4中示出了多色可见光通信系统的功率分配模块10、亮度控制模块20、信号传输模块30、信号接收模块40和信号检测模块50；所述信号传输模块30包括N个颜色灯芯的多色发光二极管32；所述信号接收模块40包括N个光学滤波器41和N个光电二极管42；第i个所述发光二极管32、第i个光学滤波器41和第i个光电二极管42构成第i个信号传输信道。

在发射端，数据源向量可以表示为d＝[d₁,d₂,…,d_N]^T，其中，d_i表示传输给第i个发光二极管的数据源，利用脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)，将其幅值范围限定为[-1,1]，i＝1,2…N。可选的，脉冲幅度调制可以为多进制脉宽幅度调制(M-PAM)，M表示多进制脉冲幅度调制的调制阶数。因此，传输信号s可以表示为：

其中，信号放大系数γ可以表示为γ＝[γ₁,γ₂,…,γ_N]^T，其中，γ_i表示第i个发光二极管的放大系数；

表示阿达玛乘积；I_DC表示亮度控制模块传输的直流偏置，其目的是保证输入到发光二极管的信号的非负性，基于直流偏置，可实现对发光二极管的亮度控制。

通常情况下，多色发光二极管的可见光通信系可以表示为朗伯辐射模型，其信道增益h_ij为：

其中A表示PD的有效检测面积，d_ij表示第j个LED颜色与第i个PD之间的距离，μ为接收机响应，φ和ψ分别表示辐照角和入射角。m为朗伯辐射阶数，T_s(ψ)为光学滤波器增益，g(ψ)为光学集中器增益，Ψ_C为PD的视场角。

同时，颜色串扰矩阵T可表示为：

其中，τ∈[0,0.5)表示颜色串扰系数。

在接收端，通过特定的滤光片，接收端光电二极管(Photo Diode，PD)用来检测给定波长的接收信号。因此，接收信号可表示为：

r＝THs+n；(6)

其中，信道增益矩阵H可以表示为H＝diag([h₁₁,h₂₂,…,h_NN])，diag(·)表示对角矩阵。n可以建模为加性高斯白噪声(AWGN)，均值为0，噪声方差为σ²。

将(3)式与(5)式合并，同时去除直流偏置部分，接收信号

可表示为：

需要注意的是，我们设定第i个光电二极管仅对来自第i个发光二极管的数据信息感兴趣，而来自其他颜色的数据可视为干扰。因此，从第i个光电二极管接收到的信号可表示为：

基于上述色域多输入多输出(CMIMO)模型，为提高系统整体的功率效率，从电功率考虑，所提出的最优功率分配方案的目标函数为：

其中，γ＝[γ₁,γ₂,…,γ_N]^T表示所述信号放大系数向量，γ_i表示第i个光电二极管的信号放大系数，c_i表示第i个光电二极管的光通量与电流值转换系数，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管的所分配光通量值向量，Φ_i表示第i个发光二极管的所分配光通量值；

同时，需要满足如下照明和通信约束：照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件。

下面对上述照明和通信约束条件进行详细说明：

(1)照度约束

为了实现用户所需亮度水平，需要满足照度约束，同时多色LED应保持恒定的亮度水平，其中混合白光不应发生闪烁现象，则照度约束条件可表示为：

其中，P_t表示所有所述发光二极管的总光通量，1＝[1,1,…,1]^T表示全为1的向量。

(2)四边形色度约束

根据ANSIC78.377-2015标准，四边形色度限制可作为区分LED产品两种颜色色度差异的统计测量，如果色度点在四边形范围内移动，人眼注意不到光的颜色变化。因此，四边形色度约束可表示为：

Kp+L≤0；(11)

其中，

表示所需色度值；K和L表示色度图中确定四边形范围的系数。

(3)幅值约束

对于VLC系统，考虑到LED的非线性特性，调制后的PAM信号应该是非负的。因此,非负约束应该满足

同时，传输信号超过最大值会发生削波失真现象，所以最大振幅约束应该满足

其中

表示最大电流值。因此，幅值约束可以表示为：

其中，I_max表示发光二极管的最大允许电流值向量，

表示阿达玛乘积；c表示光电二极管的光通量与电流值转换系数向量，Φ表示发光二极管所分配光通量值向量。

(4)信干噪比约束

信干噪比(Signal to Interference Plusnoise Ratio，SINR)约束

为了获得更好的通信质量，SINR是提高系统性能的基本指标。基于所提出的多色LED VLC系统的CMIMO模型，信干噪比(SINR)可表示为：

其中，

为了满足信干噪比约束条件，设定最小信干噪比需求为ξ。因此，信干噪比约束可以表示为：

其中，

M表示脉冲幅度调制的调制阶数，SINR_i表示第i个发光二极管的信干噪比，h_ii表示第i个发光二极管与第i个光电二极管的信道增益，h_jj表示第j个发光二极管与第j个光电二极管的信道增益，γ_i表示第i个发光二极管的信号放大系数，γ_j表示第j个发光二极管的信号放大系数，ξ表示最小的信干噪比需求，t_ii表示第i个发光二极管的颜色增益系数，t_ij表示第j个发光二极管对第i个发光二极管的颜色串扰系数，σ²表示加性高斯白噪声的噪声方差。

综上，所提出的最优功率分配方案可表示为：

这是一个关于优化变量γ和Φ的凸优化问题，其中目标函数是几个线性矩阵不等式约束下的求解最小值问题。针对这一问题，采用内点法等多种优化算法均可解决问题(15)。

下面对本申请实施例提供的多色可见光通信系统进行描述，仍然参考图4，所述多色可见光通信系统包括：功率分配模块10、亮度控制模块20、信号传输模块30、信号接收模块40和信号检测模块50；所述信号传输模块30包括N个颜色灯芯的多色发光二极管32；所述信号接收模块40包括N个光学滤波器41和N个光电二极管42；第i个所述发光二极管32、第i个光学滤波器41和第i个光电二极管42构成第i个信号传输信道；其中，

所述功率分配模块10，用于根据上述任一实施例所述的功率分配方法，确定包含数据源信息的传输信号；

所述亮度控制模块20，用于向所述发光二极管提供直流偏置信号，以实现所述发光二极管的亮度控制；

所述信号传输模块30，用于利用所述发光二极管32将所述传输信号转化为需要发送的传输光信号；

所述信号接收模块40，用于利用所述光学滤波器41和光电二极管42对所述传输光信号进行接收，并将接收到的所述传输光信号转换为电信号；

所述信号检测模块50，用于对所接收到的含加性高斯白噪声(Additive WhiteGaussian Noise，AWGN)的电信号进行检测提取，从而恢复原始数据信息。

此外，图4中还示出了用于叠加功率分配模块10和亮度控制模块20的输出信号以形成传输电信号的装置31，以及用于叠加光电二极管的输出信号和加性高斯白噪声的装置43。图4中的n_i，i＝1,2……N，表示与第i个发光二极管对应的加性高斯白噪声。

下面对本申请实施例提供的功率分配系统进行描述，下文描述的功率分配系统可与上文描述的功率分配方法相互对应参照。

相应的，本申请实施例提供了一种功率分配系统，应用于多色可见光通信系统，所述多色可见光通信系统包括N个颜色灯芯的多色发光二极管、N个光学滤波器和N个光电二极管，N≥2；所述功率分配系统包括：

通信照明参数获取模块，用于获取通信照明参数信息，所述通信照明参数信息包括信道状态信息、最低信干噪比需求、用户所需亮度值、每个所述光电二极管的光通量与电流值转换系数；

信号调制模块，用于获取数据源向量，并对所述数据源向量进行脉冲幅度调制，以将所述数据源向量中的数据源幅值的取值范围限定为[-1,1]；

功率分配方案确定模块，根据目标函数和相应的约束边界条件，利用所述通信照明参数信息，获取与所述发光二极管一一对应的功率分配方案和信号放大系数；

传输信号确定模块，用于根据与所述发光二极管一一对应的功率分配方案、信号放大系数和所述数据源向量，确定每个所述发光二极管的传输信号；

所述目标函数为：

其中，γ＝[γ₁,γ₂,…,γ_N]^T表示所述信号放大系数向量，γ_i表示第i个光电二极管的信号放大系数，c_i表示第i个光电二极管的光通量与电流值转换系数，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管的所分配光通量值向量，Φ_i表示第i个发光二极管的所分配光通量值；

所述目标函数的约束边界条件包括：照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件。

可选的，所述照度约束条件为：

其中，P_t表示所有所述发光二极管的总光通量，1＝[1,1,…,1]^T表示全为1的向量。

可选的，所述四边形色度约束条件为：

Kp+L≤0；其中，

表示所需色度值；K和L表示色度图中确定四边形范围的系数。

可选的，所述幅值约束条件为：

其中，I_max表示发光二极管的最大允许电流值向量，

表示阿达玛乘积；c表示光电二极管的光通量与电流值转换系数向量，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管的所分配光通量值向量；

所述信干噪比约束条件为：

其中，

M表示脉冲幅度调制的调制阶数，SINR_i表示第i个发光二极管的信干噪比，h_ii表示第i个发光二极管与第i个光电二极管的信道增益，h_jj表示第j个发光二极管与第j个光电二极管的信道增益，γ_i表示第i个发光二极管的信号放大系数，γ_j表示第j个发光二极管的信号放大系数，ξ表示最小的信干噪比需求，t_ii表示第i个发光二极管的颜色增益系数，t_ij表示第j个发光二极管对第i个发光二极管的颜色串扰系数，σ²表示加性高斯白噪声的噪声方差。

综上所述，本申请实施例提供了一种功率分配方法、系统及多色可见光通信系统，其中，所述功率分配方法适用于色域多输入多输出模型的多色可见光通信系统，通过在约束边界条件包括照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件的情况下，通过寻找满足目标函数的功率分配方案，从而确定每个所述发光二极管的传输信号。由于所述功率分配方案由受约束边界条件的目标函数确定，使得传输信号能够同时满足通信和照明的约束条件，实现优化多色可见光通信系统中各个发光二极管的功率分配的目的，从而提升多色可见光通信系统的整体的功率效率，并且同时满足高速通信和高品质照明的要求。

并且，由于所述目标函数的约束边界条件中引入了四边形色度约束条件，与现有技术中的固定色度点相比，四边形色度约束条件可以提供更高的自由度来提高可见光通信系统的性能。

进一步的，通过所述功率分配方法可以在任意给定所需相关色温值的情况下，均能够得到最优的功率分配方案。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种功率分配方法，其特征在于，应用于多色可见光通信系统，所述多色可见光通信系统包括N个颜色灯芯的多色发光二极管、N个光学滤波器和N个光电二极管，N≥2；所述功率分配方法包括：

获取通信照明参数信息，所述通信照明参数信息包括信道状态信息、最低信干噪比需求、用户所需亮度值、每个所述光电二极管的光通量与电流值转换系数；

获取数据源向量，并对所述数据源向量进行脉冲幅度调制，以将所述数据源向量中的数据源幅值的取值范围限定为[-1,1]；

根据目标函数和相应的约束边界条件，利用所述通信照明参数信息，获取与所述发光二极管一一对应的功率分配方案和信号放大系数；

根据与所述发光二极管一一对应的功率分配方案、信号放大系数和所述数据源向量，确定每个所述发光二极管的传输信号；

所述目标函数为：

其中，γ＝[γ₁,γ₂,…,γ_N]^T表示所述信号放大系数向量，γ_i表示第i个光电二极管的信号放大系数，c_i表示第i个光电二极管的光通量与电流值转换系数，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管所分配光通量值向量，Φ_i表示第i个发光二极管所分配光通量值；

所述目标函数的约束边界条件包括：照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件；

所述信干噪比约束条件为：

其中，

M表示脉冲幅度调制的调制阶数，SINR_i表示第i个发光二极管的信干噪比，h_ii表示第i个发光二极管与第i个光电二极管的信道增益，h_jj表示第j个发光二极管与第j个光电二极管的信道增益，γ_i表示第i个发光二极管的信号放大系数，γ_j表示第j个发光二极管的信号放大系数，ξ表示最小的信干噪比需求，t_ii表示第i个发光二极管的颜色增益系数，t_ij表示第j个发光二极管对第i个发光二极管的颜色串扰系数，σ²表示加性高斯白噪声的噪声方差；

所述四边形色度约束条件为：

Kp+L≤0；其中，

表示所需色度值；K和L表示色度图中确定四边形范围的系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述照度约束条件为：

其中，P_t表示所有所述发光二极管的总光通量，1＝[1,1,…,1]^T表示全为1的向量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述幅值约束条件为：

其中，I_max表示发光二极管的最大允许电流值向量，

表示阿达玛乘积；c表示光电二极管的光通量与电流值转换系数向量，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管所分配光通量值向量。

4.一种多色可见光通信系统，其特征在于，包括：功率分配模块、亮度控制模块、信号传输模块、信号接收模块和信号检测模块；所述信号传输模块包括N个颜色灯芯的多色发光二极管；所述信号接收模块包括N个光学滤波器和N个光电二极管；第i个所述发光二极管、第i个光学滤波器和第i个光电二极管构成第i个信号传输信道；其中，

所述功率分配模块，用于根据权利要求1-3任一项所述的功率分配方法，确定包含数据源信息的传输信号；

所述亮度控制模块，用于向所述发光二极管提供直流偏置信号，以实现所述发光二极管的亮度控制；

所述信号传输模块，用于利用所述发光二极管将所述传输信号转化为需要发送的传输光信号；

所述信号接收模块，用于利用所述光学滤波器和光电二极管对所述传输光信号进行接收，并将接收到的所述传输光信号转换为电信号；

所述信号检测模块，用于对所接收到的包含加性高斯白噪声的电信号进行检测提取，从而恢复原始数据信息。

5.一种功率分配系统，其特征在于，应用于多色可见光通信系统，所述多色可见光通信系统包括N个颜色灯芯的多色发光二极管、N个光学滤波器和N个光电二极管，N≥2；所述功率分配系统包括：

通信照明参数获取模块，用于获取通信照明参数信息，所述通信照明参数信息包括信道状态信息、最低信干噪比需求、用户所需亮度值、每个所述光电二极管的光通量与电流值转换系数；

信号调制模块，用于获取数据源向量，并对所述数据源向量进行脉冲幅度调制，以将所述数据源向量中的数据源幅值的取值范围限定为[-1,1]；

功率分配方案确定模块，根据目标函数和相应的约束边界条件，利用所述通信照明参数信息，获取与所述发光二极管一一对应的功率分配方案和信号放大系数；

传输信号确定模块，用于根据与所述发光二极管一一对应的功率分配方案、信号放大系数和所述数据源向量，确定每个所述发光二极管的传输信号；

所述目标函数为：

其中，γ＝[γ₁,γ₂,…,γ_N]^T表示所述信号放大系数向量，γ_i表示第i个光电二极管的信号放大系数，c_i表示第i个光电二极管的光通量与电流值转换系数，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管的所分配光通量值向量，Φ_i表示第i个发光二极管的所分配光通量值；

所述目标函数的约束边界条件包括：照度约束条件、四边形色度约束条件、幅值约束条件和信干噪比约束条件；

所述信干噪比约束条件为：

其中，

M表示脉冲幅度调制的调制阶数，SINR_i表示第i个发光二极管的信干噪比，h_ii表示第i个发光二极管与第i个光电二极管的信道增益，h_jj表示第j个发光二极管与第j个光电二极管的信道增益，γ_i表示第i个发光二极管的信号放大系数，γ_j表示第j个发光二极管的信号放大系数，ξ表示最小的信干噪比需求，t_ii表示第i个发光二极管的颜色增益系数，t_ij表示第j个发光二极管对第i个发光二极管的颜色串扰系数，σ²表示加性高斯白噪声的噪声方差；

所述四边形色度约束条件为：

Kp+L≤0；其中，

表示所需色度值；K和L表示色度图中确定四边形范围的系数。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述照度约束条件为：

其中，P_t表示所有所述发光二极管的总光通量，1＝[1,1,…,1]^T表示全为1的向量。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述幅值约束条件为：

其中，I_max表示发光二极管的最大允许电流值向量，

表示阿达玛乘积；c表示光电二极管的光通量与电流值转换系数向量，Φ＝[Φ₁,Φ₂,…,Φ_N]^T表示发光二极管的所分配光通量值向量。

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