CN109831253A - 一种基于多色csk调制的可见光mimo天线选择的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多色CSK调制的可见光MIMO天线选择的方法，发射端由Nt个RAGB‑LED构成阵列，用于发送光信号；接收端由Nr个接收机构成，用于信号接收；相比传统白光VLC‑MIMO通信系统，多色LED的VLC‑MIMO通信系统具有更好的通信性能，利用多色LED的颜色分集特性，可显著提升VLC‑MIMO的通信速率，相比传统白光VLC‑MIMO中的天线选择方案，本专利采用改进的CSK调制方式对信号进行星座设计，进而设计了基于CSK调制的天线选择方法，具有更高的通信效率和更好的信号传输性能。

Description

一种基于多色CSK调制的可见光MIMO天线选择的方法

技术领域

本发明涉及一种基于多色CSK调制的可见光MIMO天线选择的方法。

背景技术

在可见光通信(Visible light communication，VLC)中，多输入多输出(Multiple-input multiple-output，MIMO)技术一直以来受到学者们的广泛 研究。MIMO技术有望提高可见光系统通信效率，在不增加系统带宽的情况下， 成倍地提高信道容量和频带利用率，提升系统分集或复用能力。本专利考虑基 于多色LED的VLC-MIMO系统，利用多色LED的颜色分集特性，进一步提升 VLC-MIMO的通信性能。

可见光信道较传统无线电信道有较强的空间相关性，针对传统白光 VLC-MIMO，为降低信道相关性，实现数据高速通信，有学者提出可见光空间调 制(Spatial modulation，SM)技术，即同一时刻仅一个LED发光并传输信息， 不同时刻的空间位置标签也用于存储信息。由于SM技术牺牲了大量的空间资 源，有学者进而研究发展出广义空间调制(Generalized spatial modulation， GSM)技术，即同一时刻有多个LED灯发光并传输信息，不同时刻空间位置标 签同样用于存储信息。相比SM技术，GSM技术具有更高的频谱效率和一定的可 靠性。但由于多色LED的多种颜色间还存在相互干扰，传统MIMO的天线选择 无法直接应用到多色LED的VLC-MIMO当中。

自IEEE 802.15.7标准提出了多色LED的颜色键控(Color shift keying， CSK)调制方式，大量学者对标准CSK进行了研究分析和扩展，提出了多种改 进的CSK调制方案。2014年，R.Singh等人将应用于RGB三色LED的标准CSK 调制拓展到四色LED，并进行了完整的性能分析。2017年，Xiao Liang等学者 提出了另一种改进的CSK方案，得到了在多种光照约束条件下的CSK星座设计 方案，并进行了实际系统验证。但现有的改进CSK方案通常仅针对一个多色LED，而针对多个多色LED的MIMO系统，还需要进行相应的信号设计。

因此，多色LED阵列需考虑多色LED多种颜色间的相互干扰，以及色度和 亮度等约束条件，传统白光VLC-MIMO系统的天线选择方法无法直接用于多色 LED的VLC-MIMO系统当中；现有的改进CSK方案通常仅针对一个多色LED，未 将情况拓展到多个多色LED的MIMO系统中。

发明内容

本发明的目的在于克服以上所述的缺点，提供一种基于多色CSK调制的可 见光MIMO天线选择的方法。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：一种基于多色CSK调制的可见 光MIMO天线选择的方法，发射端由N_t个RAGB-LED构成阵列，用于发送光信 号；接收端由N_r个接收机构成，用于信号接收；该方法为：

获取由发射端和接收端之间的信道系数组成的信道矩阵其中 由朗伯辐射模型可得为

其中，m为朗伯辐射阶数，可由半功率角Φ_1/2计算得到， A_R接收端的物理接收面积，δ_i为接收PD的响应系数，D_ij为第j个LED到第i个 接收机之间的距离，φ_ij为LED发光角度，ψ_ij为接收端光线入射角，Ψ_c为接收 端视场角；

发送端阵列N_t个多色LED中仅选择N_a个进行激活，对应已选的N_a个多色 LED和颜色k，有

考虑相邻颜色间的干扰，令干扰系数为ξ，故可得对应已选LED的多色信道矩阵 为

在发送端，颜色k的待发送信号经CSK调制为多种 颜色的信号经组合后构成信号向量s∈S，S设定为发送信号 星座，M＝2^K；故，接收信号可表示为

y＝H_as+z,

其中，接收信号z为方差为σ_j加性 高斯白噪声，z_j∈N(0,σ_j)；接收端采用最大似然准则对接收向量y进行检测， 可恢复得到原发送信号；

天线选择需要从发端阵列N_t个多色LED中选择N_a个传输信息，因此共有 种可能的选择模式，若实际选择模式L种，则天线选择在单位 时间内可传输信息比特每个已选多色LED单位时间可传输信息比特 log₂M＝K，故总频谱效率为

为设计自适应多色信道H_a的CSK星座S，根据接收端信号最大最小欧式距 离准则，星座点间的欧式距离可表示为

d_mn＝||H_a(s_m-s_n)||₂,

因此，目标函数可以写为

现定义由M阶星座中的信号向量构成的新的联合向量则 有

其中表示克罗内克乘积，e_m和e_n分别表示M×M维单位阵的I_M的第m列向量 和第n列向量；

据此，定义矩阵E_mn为

则星座点间欧式距离的平方可写为

由于上式非凸，故对上式进行一阶泰勒级数展开，得到近似式

其中，s_J ⁽⁰⁾是初始可行点；

因此，目标函数可以转化为单目标函数和线性不等式约束的形式

单个RAGB-LED的平均光功率向量为其中P_t为总 光功率，满足P_t＝1^TP_a，γ表示4×1维的归一化色度比例向量，对应某一指定色 度为一固定常量；定义其中，选择矩阵1_M为M×1 维全1向量，ηJ为联合光电系数向量η为4×1维的多色LED电 光转化系数常数向量；由于MIMO阵列中的每个多色LED需保证发出的总光功率 恒定，因此，定义则星座设计需满足总光功率约束：

由于电信号需保证非负且LED发光二极管存在截断效应，因此信号幅度需 控制在一定区间范围内；若RAGB-LED各色芯片的电幅度峰值为 令矩阵则信号星座的幅度约 束为

0≤s_J≤A_Jmax.

最后，为适应实际照明场景，MIMO阵列的各发光LED需保证发出同颜色光， 则有色度约束：

上述优化完整表示为

0≤s_J≤I_Jmax,

对所有N_a个LED发光的所有可能天线选择情况，分别计算得到CSK星座 后，根据目标函数d_min的大小，选取d_min较大的L种LED选择模式进行信号传输。

每个接收机由多个单色滤波片和多个PD构成。

本发明的有益效果为：相比传统白光VLC-MIMO通信系统，多色LED的 VLC-MIMO通信系统具有更好的通信性能，利用多色LED的颜色分集特性，可显 著提升VLC-MIMO的通信速率，相比传统白光VLC-MIMO中的天线选择方案，本 专利采用改进的CSK调制方式对信号进行星座设计，进而设计了基于CSK调制 的天线选择方法，具有更高的通信效率和更好的信号传输性能。

附图说明

图1是本发明的发射端和接收端的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，并不是把本发 明的实施范围局限于此。

如图1所示，本实施例所述的一种基于多色CSK调制的可见光MIMO天线 选择的方法，发射端由N_t个RAGB-LED构成阵列，用于发送光信号；接收端 由N_r个接收机构成，用于信号接收；该方法为：

获取由发射端和接收端之间的信道系数组成的信道矩阵其中 由朗伯辐射模型可得为

其中，m为朗伯辐射阶数，可由半功率角Φ_1/2计算得到， A_R接收端的物理接收面积，δ_i为接收PD的响应系数，D_ij为第j个LED到第i个 接收机之间的距离，φ_ij为LED发光角度，ψ_ij为接收端光线入射角，Ψ_c为接收 端视场角；

阵列中的多色LED经过选择后，同一时刻，发送端阵列N_t个多色LED中仅 选择N_a个进行激活，对应已选的N_a个多色LED和颜色k，有

考虑相邻颜色间的干扰，令干扰系数为ξ，故可得对应已选LED的多色信道矩阵 为

在发送端，颜色k的待发送信号经CSK调制为多种 颜色的信号经组合后构成信号向量s∈S，S设定为发送信号 星座，M＝2^K；故，接收信号可表示为

y＝H_as+z,

其中，接收信号z为方差为σ_j加性 高斯白噪声，z_j∈N(0,σ_j)；接收端采用最大似然准则对接收向量y进行检测， 可恢复得到原发送信号；

天线选择需要从发端阵列N_t个多色LED中选择N_a个传输信息，因此共有 种可能的选择模式，若实际选择模式L种，则天线选择在单位 时间内可传输信息比特每个已选多色LED单位时间可传输信息比特 log₂M＝K，故总频谱效率为

为设计自适应多色信道H_a的CSK星座S，根据接收端信号最大最小欧式距 离准则，星座点间的欧式距离可表示为

d_mn＝||H_a(s_m-s_n)||₂,

因此，目标函数可以写为

现定义由M阶星座中的信号向量构成的新的联合向量则 有

其中表示克罗内克乘积，e_m和e_n分别表示M×M维单位阵的I_M的第m列向量 和第n列向量；

据此，定义矩阵E_mn为

则星座点间欧式距离的平方可写为

由于上式非凸，故对上式进行一阶泰勒级数展开，得到近似式

其中，s_J ⁽⁰⁾是初始可行点；

因此，目标函数可以转化为单目标函数和线性不等式约束的形式

此外，多色LED的VLC-MIMO系统在应用于实际的通信场景时，需满足一 定的色度与亮度约束条件，单个RAGB-LED的平均光功率向量为 其中P_t为总光功率，满足P_t＝1^TP_a，γ表示4×1维的归 一化色度比例向量，对应某一指定色度为一固定常量；定义其 中，选择矩阵1_M为M×1维全1向量，η_J为联合光电系数向量 η为4×1维的多色LED电光转化系数常数向量；由于MIMO阵列 中的每个多色LED需保证发出的总光功率恒定，因此，定义则星座设计需满足总光功率约束：

由于电信号需保证非负且LED发光二极管存在截断效应，因此信号幅度需 控制在一定区间范围内；若RAGB-LED各色芯片的电幅度峰值为 令矩阵则信号星座的幅度约 束为

0≤s_J≤A_Jmax.

为适应实际照明场景，MIMO阵列的各发光LED需保证发出同颜色光，则有 色度约束：

至此，优化完整表示为

0≤s_J≤I_Jmax,

对所有N_a个LED发光的所有可能天线选择情况，分别计算得到CSK星座 后，根据目标函数d_min的大小，选取d_min较大的L种LED选择模式进行信号传输。

每个接收机由多个单色滤波片和多个PD构成。

相比传统白光VLC-MIMO通信系统，多色LED的VLC-MIMO通信系统具有更 好的通信性能，利用多色LED的颜色分集特性，可显著提升VLC-MIMO的通信 速率，相比传统白光VLC-MIMO中的天线选择方法，本专利采用改进的CSK调 制方式对信号进行星座设计，进而设计了基于CSK调制的天线选择方法，具有 更高的通信效率和更好的信号传输性能。

以上所述仅是本发明的一个较佳实施例，故凡依本发明专利申请范围所述 的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，包含在本发明专利申请的保护范 围内。

Claims (2)

1.一种基于多色CSK调制的可见光MIMO天线选择的方法，其特征在于：发射端由N_t个RAGB-LED构成阵列，用于发送光信号；接收端由N_r个接收机构成，用于信号接收；该方法为：

获取由发射端和接收端之间的信道系数组成的信道矩阵其中由朗伯辐射模型可得为

其中，m为朗伯辐射阶数，可由半功率角Φ_1/2计算得到，A_R接收端的物理接收面积，δ_i为接收PD的响应系数，D_ij为第j个LED到第i个接收机之间的距离，φ_ij为LED发光角度，ψ_ij为接收端光线入射角，Ψ_c为接收端视场角；

发送端阵列N_t个多色LED中仅选择N_a个进行激活，对应已选的N_a个多色LED和颜色k，有

考虑相邻颜色间的干扰，令干扰系数为ξ，故可得对应已选LED的多色信道矩阵为

在发送端，颜色k的待发送信号经CSK调制为 多种颜色的信号经组合后构成信号向量S设定为发送信号星座，M＝2^K；故，接收信号可表示为

y＝H_as+z,

其中，接收信号z为方差为σ_j加性高斯白噪声，z_j∈N(0,σ_j)；接收端采用最大似然准则对接收向量y进行检测，可恢复得到原发送信号；

天线选择需要从发端阵列N_t个多色LED中选择N_a个传输信息，因此共有种可能的选择模式，若实际选择模式L种，则天线选择在单位时间内可传输信息比特每个已选多色LED单位时间可传输信息比特log₂M＝K，故总频谱效率为

为设计自适应多色信道H_a的CSK星座S，根据接收端信号最大最小欧式距离准则，星座点间的欧式距离可表示为

d_mn＝||H_a(s_m-s_n)||₂,

因此，目标函数可以写为

现定义由M阶星座中的信号向量构成的新的联合向量则有

其中表示克罗内克乘积，e_m和e_n分别表示M×M维单位阵的I_M的第m列向量和第n列向量；

据此，定义矩阵E_mn为

则星座点间欧式距离的平方可写为

由于上式非凸，故对上式进行一阶泰勒级数展开，得到近似式

其中，s_J ⁽⁰⁾是初始可行点；

因此，目标函数可以转化为单目标函数和线性不等式约束的形式

单个RAGB-LED的平均光功率向量为其中P_t为总光功率，满足P_t＝1^TP_a，γ表示4×1维的归一化色度比例向量，对应某一指定色度为一固定常量；定义其中，选择矩阵1_M为M×1维全1向量，η_J为联合光电系数向量η为4×1维的多色LED电光转化系数常数向量；由于MIMO阵列中的每个多色LED需保证发出的总光功率恒定，因此，定义则星座设计需满足总光功率约束：

由于电信号需保证非负且LED发光二极管存在截断效应，因此信号幅度需控制在一定区间范围内；若RAGB-LED各色芯片的电幅度峰值为令矩阵则信号星座的幅度约束为

0≤s_J≤A_Jmax.

为适应实际照明场景，MIMO阵列的各发光LED需保证发出同颜色光，则有色度约束：

上述优化完整表示为

0≤s_J≤I_Jmax,

对所有N_a个LED发光的所有可能天线选择情况，分别计算得到CSK星座后，根据目标函数d_min的大小，选取d_min较大的L种LED选择模式进行信号传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于多色CSK调制的可见光MIMO天线选择的方法，其特征在于：每个接收机由多个单色滤波片和多个PD构成。