CN109831253B - 一种基于多色csk调制的可见光mimo天线选择的方法 - Google Patents

一种基于多色csk调制的可见光mimo天线选择的方法 Download PDF

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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；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
Figure GDA0002845450650000021
其中
Figure GDA0002845450650000022
由朗伯辐射模型可得为
Figure GDA0002845450650000023
其中，m为朗伯辐射阶数，可由半功率角Φ1/2计算得到，
Figure GDA0002845450650000024
AR接收端的物理接收面积，δi为接收PD的响应系数，Dij为第j个LED到第i个接收机之间的距离，φij为LED发光角度，ψij为接收端光线入射角，Ψc为接收端视场角；
发送端阵列Nt个多色LED中仅选择Na个进行激活，对应已选的Na个多色LED和颜色k，有
Figure GDA0002845450650000025
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
Figure GDA0002845450650000031
在发送端，颜色k的待发送信号经CSK调制为
Figure GDA0002845450650000032
Figure GDA0002845450650000033
多种颜色的信号经组合后构成信号向量
Figure GDA0002845450650000034
S设定为发送信号星座，
Figure GDA0002845450650000035
故，接收信号可表示为
y＝Has+z,
其中，接收信号
Figure GDA0002845450650000036
z为方差为σj加性高斯白噪声，zj∈N(0,σj)；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Nt个多色LED中选择Na个传输信息，因此共有
Figure GDA0002845450650000037
种可能的选择模式，若实际选择模式L种，
Figure GDA0002845450650000038
则天线选择在单位时间内可传输信息比特
Figure GDA0002845450650000039
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
Figure GDA00028454506500000310
为设计自适应多色信道Ha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
dmn＝||Ha(sm-sn)||2,
因此，目标函数可以写为
Figure GDA00028454506500000311
现定义由M阶星座中的信号向量构成的新的联合向量
Figure GDA0002845450650000041
则有
Figure GDA0002845450650000042
其中
Figure GDA0002845450650000043
表示克罗内克乘积，em和en分别表示M×M维单位阵的IM的第m列向量和第n列向量；
据此，定义矩阵Emn为
Figure GDA0002845450650000044
则星座点间欧式距离的平方可写为
Figure GDA0002845450650000045
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
Figure GDA0002845450650000046
其中，sJ (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
Figure GDA0002845450650000047
Figure GDA0002845450650000048
单个RAGB-LED的平均光功率向量为
Figure GDA0002845450650000049
其中Pt为总光功率，满足Pt＝1TPa，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
Figure GDA00028454506500000410
其中，选择矩阵
Figure GDA00028454506500000411
1M为M×1维全1向量，ηJ为联合光电系数向量
Figure GDA00028454506500000412
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
Figure GDA00028454506500000413
则星座设计需满足总光功率约束：
Figure GDA0002845450650000051
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
Figure GDA0002845450650000052
令矩阵
Figure GDA0002845450650000053
则信号星座的幅度约束为
0≤sJ≤AJmax.
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：
Figure GDA0002845450650000054
上述优化完整表示为
Figure GDA0002845450650000055
Figure GDA0002845450650000056
Figure GDA0002845450650000057
0≤sJ≤IJmax,
Figure GDA0002845450650000058
对所有Na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dmin的大小，选取dmin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；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
Figure GDA0002845450650000061
其中
Figure GDA0002845450650000062
由朗伯辐射模型可得为
Figure GDA0002845450650000063
其中，m为朗伯辐射阶数，可由半功率角Φ1/2计算得到，
Figure GDA0002845450650000064
AR接收端的物理接收面积，δi为接收PD的响应系数，Dij为第j个LED到第i个接收机之间的距离，φij为LED发光角度，ψij为接收端光线入射角，Ψc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Nt个多色LED中仅选择Na个进行激活，对应已选的Na个多色LED和颜色k，有
Figure GDA0002845450650000065
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
Figure GDA0002845450650000071
在发送端，颜色k的待发送信号经CSK调制为
Figure GDA0002845450650000072
Figure GDA0002845450650000073
多种颜色的信号经组合后构成信号向量
Figure GDA0002845450650000074
S设定为发送信号星座，
Figure GDA0002845450650000075
故，接收信号可表示为
y＝Has+z,
其中，接收信号
Figure GDA0002845450650000076
z为方差为σj加性高斯白噪声，zj∈N(0,σj)；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Nt个多色LED中选择Na个传输信息，因此共有
Figure GDA0002845450650000077
种可能的选择模式，若实际选择模式L种，
Figure GDA0002845450650000078
则天线选择在单位时间内可传输信息比特
Figure GDA0002845450650000079
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
Figure GDA00028454506500000710
为设计自适应多色信道Ha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
dmn＝||Ha(sm-sn)||2,
因此，目标函数可以写为
Figure GDA00028454506500000711
现定义由M阶星座中的信号向量构成的新的联合向量
Figure GDA00028454506500000712
则有
Figure GDA0002845450650000081
其中
Figure GDA0002845450650000082
表示克罗内克乘积，em和en分别表示M×M维单位阵的IM的第m列向量和第n列向量；
据此，定义矩阵Emn为
Figure GDA0002845450650000083
则星座点间欧式距离的平方可写为
Figure GDA0002845450650000084
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
Figure GDA0002845450650000085
其中，sJ (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
Figure GDA0002845450650000086
Figure GDA0002845450650000087
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
Figure GDA0002845450650000088
其中Pt为总光功率，满足Pt＝1TPa，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
Figure GDA0002845450650000089
其中，选择矩阵
Figure GDA00028454506500000810
1M为M×1维全1向量，ηJ为联合光电系数向量
Figure GDA00028454506500000811
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
Figure GDA00028454506500000812
Figure GDA0002845450650000091
则星座设计需满足总光功率约束：
Figure GDA0002845450650000092
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
Figure GDA0002845450650000093
令矩阵
Figure GDA0002845450650000094
则信号星座的幅度约束为
0≤sJ≤AJmax.
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：
Figure GDA0002845450650000095
至此，优化完整表示为
Figure GDA0002845450650000096
Figure GDA0002845450650000097
Figure GDA0002845450650000098
0≤sJ≤IJmax,
Figure GDA0002845450650000099
对所有Na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dmin的大小，选取dmin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；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
Figure FDA0002845450640000011
其中
Figure FDA0002845450640000012
由朗伯辐射模型可得为
Figure FDA0002845450640000013
其中，m为朗伯辐射阶数，可由半功率角Φ1/2计算得到，
Figure FDA0002845450640000014
AR接收端的物理接收面积，δi为接收PD的响应系数，Dij为第j个LED到第i个接收机之间的距离，φij为LED发光角度，ψij为接收端光线入射角，Ψc为接收端视场角；
发送端阵列Nt个多色LED中仅选择Na个进行激活，对应已选的Na个多色LED和颜色k，有
Figure FDA0002845450640000015
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
Figure FDA0002845450640000016
在发送端，颜色k的待发送信号经CSK调制为
Figure FDA0002845450640000017
Figure FDA0002845450640000018
多种颜色的信号经组合后构成信号向量
Figure FDA0002845450640000019
s∈S，S设定为发送信号星座，
Figure FDA00028454506400000110
K∈Z+，M＝2K；故，接收信号可表示为
y＝Has+z,
其中，接收信号
Figure FDA0002845450640000021
Figure FDA0002845450640000022
z为方差为σj加性高斯白噪声，zj∈N(0,σj)；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Nt个多色LED中选择Na个传输信息，因此共有
Figure FDA0002845450640000023
种可能的选择模式，若实际选择模式L种，
Figure FDA0002845450640000024
则天线选择在单位时间内可传输信息比特
Figure FDA0002845450640000025
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
Figure FDA0002845450640000026
为设计自适应多色信道Ha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
dmn＝||Ha(sm-sn)||2,
因此，目标函数可以写为
Figure FDA0002845450640000027
现定义由M阶星座中的信号向量构成的新的联合向量
Figure FDA0002845450640000028
则有
Figure FDA0002845450640000029
其中
Figure FDA00028454506400000210
表示克罗内克乘积，em和en分别表示M×M维单位阵的IM的第m列向量和第n列向量；
据此，定义矩阵Emn为
Figure FDA00028454506400000211
则星座点间欧式距离的平方可写为
Figure FDA0002845450640000031
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
Figure FDA0002845450640000032
其中，sJ (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
Figure FDA0002845450640000033
Figure FDA0002845450640000034
单个RAGB-LED的平均光功率向量为
Figure FDA0002845450640000035
其中Pt为总光功率，满足Pt＝1TPa，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
Figure FDA0002845450640000036
其中，选择矩阵
Figure FDA0002845450640000037
1M为M×1维全1向量，ηJ为联合光电系数向量
Figure FDA0002845450640000038
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
Figure FDA0002845450640000039
则星座设计需满足总光功率约束：
Figure FDA00028454506400000310
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
Figure FDA00028454506400000311
令矩阵
Figure FDA00028454506400000312
则信号星座的幅度约束为
0≤sJ≤AJmax.
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：
Figure FDA0002845450640000041
上述优化完整表示为
Figure FDA0002845450640000042
Figure FDA0002845450640000043
Figure FDA0002845450640000044
0≤sJ≤IJmax,
Figure FDA0002845450640000045
对所有Na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dmin的大小，选取dmin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。
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