CN110855364A - 一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统及方法 - Google Patents

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CN110855364A CN201911129914.7A CN201911129914A CN110855364A CN 110855364 A CN110855364 A CN 110855364A CN 201911129914 A CN201911129914 A CN 201911129914A CN 110855364 A CN110855364 A CN 110855364A
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Abstract

本发明设计了一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统，包括发射机和接收机，本发明还提供一种通信方法，包括发射机的载波调制过程，通过将TR子载波插入OFDM符号中并对其他携带信息的OFDM子载波进行信号失真约束，最后将调制完成的信号发送至接收机；接收机经过光‑电转化后得到一系列子载波并将子载波传输至所述BAE模块中，由BAE模块盲估计出有用信号的真正放大倍数，从而最后解调出相应的信号。此外，本发明提供了一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统及方法，利用TR子载波和信号失真的约束，对子载波进行凸优化求解，并利用设计在接收机中设计的BAE模块，从而接收机能够快速处理，准确地盲估计出有用信号的放大倍数。

Description

一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统及方法
技术领域
本发明涉及可见光通信调光控制技术领域，更具体的，涉及一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统，本发明还涉及一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信方法。
背景技术
在可见光通信(visible light communication,VLC)调光控制领域，一般地，调光方式被分为两种，数字调光和模拟调光。数字调光通过改变波形结构从而实现调光的目标，模拟调光通过直接调整发光二极管(light-emitting diode,LED)偏置以及具体波形实现调光[1]。对于数字调光方案，主要的实现方式有利用编码进行调光脉冲宽带调制(pulse-width modulation，PWM)[2]，以及在该基础上进行修正的一些方案。数字调光技术通过编码技术，改变波形占空比或者是采用脉冲等方式进行调光操作，它们可能会降低系统的通信速率或者增加系统带宽，增加用户终端处理信号的复杂度，因此存在一定的局限性。而对于模拟调光，其相应的主要实现方式有非对称混合光正交频分复用(asymmetrical hybridoptical orthogonal frequency division multiplexing，AHO-OFDM)[3]，高功率频率效益的正交频分复用系统[4]，它们大部分是由高频谱效率的正交幅度调制(quadratureamplitude modulation，QAM)的非对称整形光正交频分复用(asymmetrically clippedoptical orthogonal frequency division multiplexing，ACO-OFDM)和效率低一点的脉冲幅度调制离散单音调(pulse amplitude modulated discrete multi-tone，PAM-DMT)组成，因而总的传输效率比较低。
发明内容
本发明为克服现有的数字调光方式存在的降低系统通信速率或增加系统带宽，最终增加用户终端处理信号复杂度的技术缺陷，同时克服现有的模拟调光方式存在传输效率低的技术缺陷，提供一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统。
本发明还提供一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统，包括发射机，所述发射机上设置有基于凸优化的调光控制框架，所述调光控制框架包括光-正交频分复用 O-OFDM子系统、音调预留TR子系统和信号失真约束模块；其中：
所述O-OFDM子系统用于产生正交频分复用OFDM符号；所述TR子系统用于将相应的优化后的子载波信号插入所述OFDM符号中预留的子载波的相应位置；所述信号失真约束模块用于对其他携带信息的OFDM符号进行信号失真约束，得到电O-OFDM信号；最后由发射机将电O-OFDM信号转换为光信号在对应VLC通道中传输。
一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统，包括接收机，所述接收机上设置有幅度盲估计BAE模块；其中：
所述接收机经过光-电转化后得到一系列子载波并将子载波传输至所述BAE 模块中，由BAE模块盲估计出有用信号的真正放大倍数，从而最后解调出相应的信号。
一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信方法，包括发射机的载波调制过程，包括：
光-正交频分复用O-OFDM子系统产生正交频分复用OFDM符号；
音调预留TR子系统将TR子载波插入OFDM符号中；
信号失真约束模块对其他携带信息的OFDM子载波进行信号失真约束，得到电O-OFDM信号；
最后在发射机上将电O-OFDM信号转换为光信号发射到对应VLC通道中传输。
其中，所述发射机的载波调制过程具体为：
在O-OFDM子系统定义每一个OFDM符号中需要传递的频域FD信号子载波索引为一个集合Is＝{Ps,s＝1,2,...,Ns}，且Ps≤Ns/2-1，Ns表示一个OFDM 符号所发送有用信息的子载波总数；其中，需要发射的原始信号的数值频域FD 信号Xs表示为：
Figure RE-GDA0002346100140000021
用Il和Ih表示发射机中通过的光电流范围，其中，调光水平η表示为：
Figure RE-GDA0002346100140000022
其中，调光水平η由实际情况进行设置，因此得到对应的光电流均值Iav；至此，得到了OFDM符号中所需要的参数Is、Xs、Iav、Il和Ih；
在音调预留TR子系统中，定义TR子载波的索引为集合 Ii＝{Pi,s＝1,2,...,Ni}，Pi≤Ni/2-1，Ni表示一个OFDM符号所承载TR子载波的总数；由此，将TR子载波插入OFDM符号中，有：
Is∪Ii＝{1,2,...,N/2-1}
Figure RE-GDA0002346100140000036
其中，Ni+Ns＝(N/2)-1，此外，采用Xi表示频域FD中使用的TR子载波变量；在信号失真约束模块，用变量ξ1量化信号失真的程度，用变量ξ2量化TR 子载波信号的能量，因此在信号的时频变换中，对应的傅里叶变换矩阵为：
其中，WN＝e-j2π/N，因此发射信号相应的频域FD信号X为：
X＝WDs
其中，参数s表示有效信号，
Figure RE-GDA0002346100140000032
N是逆快速傅里叶变换总数，R+表示正实数，其由参数Is、Xs、Iav、Il和Ih所决定；再对得到的信号X进行凸优化处理，得到电O-OFDM信号，最后由发射机进行传输。
其中，所述凸优化处理的表达式具体为：
定义抽取矩阵
Figure RE-GDA0002346100140000033
和
Figure RE-GDA0002346100140000034
其分别抽取信号X中的真实信号部分和TR信号部分；定义p为有用信号的放大倍数，则凸优化处理的表达式为：
Figure RE-GDA0002346100140000035
Figure RE-GDA0002346100140000041
其中，包括接收机的载波求解与盲估计过程，具体为：
接收机经过光-电转化后得到一系列子载波并将子载波传输至所述BAE模块中，由BAE模块盲估计出有用信号的真正放大倍数，从而最后解调出相应的信号。
其中，所述接收机经过光-电转化具体将从光通道接收到的光信号进行移除循环前缀处理、串并转换处理和快速傅里叶变化处理，得到一系列子载波；其中：
第k个子载波接收的频率FD信号表示为：
Y[k]＝H[k]X[k]+N[k]
其中，X[k]表示频域FD信号X的第k个信号；N[k]是具有零均值的复加性高斯白噪声，表示与X[k]对应的第k个信号的噪声向量；H[k]是相对于信道冲击响应CIR的信道传递函数CTF，表示与X[k]对应的第k个信号的信道。
其中，在所述BAE模块中，采用凸优化工具箱对子载波进行凸优化求解，求出信号放大倍数
Figure RE-GDA0002346100140000042
需要发射的原始信号的有用信号
Figure RE-GDA0002346100140000043
和发送TR子载波使用的信号
Figure RE-GDA0002346100140000044
进一步地，定义有效信号子载波的CTF为
Figure RE-GDA0002346100140000045
对应于TR 子载波的CTF为
Figure RE-GDA0002346100140000046
定义
Figure RE-GDA0002346100140000047
其中，关于变量
Figure RE-GDA0002346100140000048
的不等式约束的对偶变量为
Figure RE-GDA0002346100140000049
关于信号放大倍数
Figure RE-GDA00023461001400000410
的不等式约束的对偶变量为在盲估计过程中，按照变量变量
Figure RE-GDA00023461001400000413
变量
Figure RE-GDA00023461001400000414
的顺序进行更新；其中：
在0时刻，
Figure RE-GDA00023461001400000415
被初始化为：
Figure RE-GDA00023461001400000416
其中，
Figure RE-GDA00023461001400000417
表示Hadamard积，Fs中的每个元素是Hs中每个元素的倒数；Y表示向量Y[k]；若得到的
Figure RE-GDA00023461001400000418
为最优解
Figure RE-GDA00023461001400000419
采用最大似然判决得到
Figure RE-GDA00023461001400000420
的判决
Figure RE-GDA00023461001400000421
而
Figure RE-GDA00023461001400000422
的通过最大似然估计获得对应的星座图的点，其判决表达式为：
Figure RE-GDA00023461001400000423
若关于变量
Figure RE-GDA00023461001400000424
的不等式约束的对偶变量的最优解为
Figure RE-GDA00023461001400000425
等于0时，为：
Figure RE-GDA00023461001400000427
其中，参数
Figure RE-GDA00023461001400000428
为一个整体变量，表示一个对角矩阵；若关于变量
Figure RE-GDA00023461001400000429
的不等式约束的对偶变量的最优解为
Figure RE-GDA0002346100140000051
不等于0时，先求解函数
Figure RE-GDA0002346100140000052
的零点，其中为：
Figure RE-GDA0002346100140000054
其相应的导数为：
Figure RE-GDA0002346100140000055
因此，采用牛顿法对函数
Figure RE-GDA0002346100140000056
的零点进行求解，将得到的
Figure RE-GDA0002346100140000057
数值代入下式中，即得到
Figure RE-GDA0002346100140000058
为：
Figure RE-GDA0002346100140000059
其中，是一个Ni×Ni的单位矩阵；在更新完
Figure RE-GDA00023461001400000511
后，若关于变量的不等式约束的对偶变量的最优解为
Figure RE-GDA00023461001400000513
等于0时，
Figure RE-GDA00023461001400000514
为：
Figure RE-GDA00023461001400000515
若关于变量的不等式约束的对偶变量的最优解为
Figure RE-GDA00023461001400000517
不等于0时，
Figure RE-GDA00023461001400000518
为：
Figure RE-GDA00023461001400000519
更新后，得到接收机的目标函数为：
Figure RE-GDA00023461001400000521
将更新后的
Figure RE-GDA00023461001400000522
作为代入式中，得到目标函数的数值，完成盲估计过程。
其中，所述的盲估计过程指在不需要发射机发送导频信号的情况下，接收机由接收到的载波信号估计得到相应的放大倍数。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统及方法，利用 TR子载波和信号失真的约束，对子载波进行凸优化求解，并利用设计在接收机中设计的BAE模块，从而接收机能够快速处理，准确地盲估计出有用信号的放大倍数。
附图说明
图1为本发明所述方法流程图；
图2为调光水平为0.25的误码率BER图；
图3为调光水平为0.5的误码率BER图；
图4为在不同的调光水平下不同方案可取得的最大频谱效率示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
为简单起见，假设环境条件例如环境光线，反射物体等在房间中保持不变，在这个假设下，室内VLC信道可以被看作是位置变化的，但是无论用户设备UE 位于房间哪个位置，本发明所提供的系统在发射每一个OFDM符号都会被调用，接收机接收到信号之后，也必须调用BAE模块才能得到准确的有效信号放大倍数。
在具体实施过程中，本发明提供的基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统，包括发射机和接收机，所述发射机上设置有基于凸优化的调光控制框架，所述调光控制框架包括光-正交频分复用O-OFDM子系统、音调预留TR子系统和信号失真约束模块；其中：
所述O-OFDM子系统用于产生正交频分复用OFDM符号；所述TR子系统用于将相应的优化后的子载波信号插入所述OFDM符号中预留的子载波的相应位置；所述信号失真约束模块用于对其他携带信息的OFDM符号进行信号失真约束，得到电O-OFDM信号；最后由发射机将电O-OFDM信号转换为光信号在对应VLC通道中传输。
所述接收机上设置有幅度盲估计BAE模块；其中：所述接收机经过光-电转化后得到一系列子载波并将子载波传输至所述BAE模块中，由BAE模块盲估计出有用信号的真正放大倍数，从而最后解调出相应的信号。
实施例2
更具体的，如图1所示，在实施例1的基础上，提供一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信方法，包括发射机的载波调制过程，包括：
光-正交频分复用O-OFDM子系统产生正交频分复用OFDM符号；
音调预留TR子系统将TR子载波插入OFDM符号中；
信号失真约束模块对其他携带信息的OFDM子载波进行信号失真约束，得到电O-OFDM信号；
最后在发射机上将电O-OFDM信号转换为光信号发射到对应VLC通道中传输。
更具体的，所述发射机的载波调制过程具体为：
在O-OFDM子系统定义每一个OFDM符号中需要传递的频域FD信号子载波索引为一个集合Is＝{Ps,s＝1,2,...,Ns}，且Ps≤Ns/2-1，Ns表示一个OFDM 符号所发送有用信息的子载波总数；其中，需要发射的原始信号的数值频域FD 信号Xs表示为：
Figure RE-GDA0002346100140000071
用Il和Ih表示发射机中通过的光电流范围，其中，调光水平η表示为：
Figure RE-GDA0002346100140000072
其中，调光水平η由实际情况进行设置，因此得到对应的光电流均值Iav；至此，得到了OFDM符号中所需要的参数Is、Xs、Iav、Il和Ih；
在音调预留TR子系统中，定义TR子载波的索引为集合 Ii＝{Pi,s＝1,2,...,Ni}，Pi≤Ni/2-1，Ni表示一个OFDM符号所承载TR子载波的总数；由此，将TR子载波插入OFDM符号中，有：
Is∪Ii＝{1,2,...,N/2-1}
其中，Ni+Ns＝(N/2)-1，此外，采用Xi表示频域FD中使用的TR子载波变量；在信号失真约束模块，用变量ξ1量化信号失真的程度，用变量ξ2量化TR 子载波信号的能量，因此在信号的时频变换中，对应的傅里叶变换矩阵为：
其中，WN＝e-j2π/N，因此发射信号相应的频域FD信号X为：
X＝WDs
其中，参数s表示有效信号，
Figure RE-GDA0002346100140000082
N是逆快速傅里叶变换总数，R+表示正实数，其由参数Is、Xs、Iav、Il和Ih所决定；再对得到的信号X进行凸优化处理，得到电O-OFDM信号，最后由发射机进行传输。
更具体的，所述凸优化处理的表达式具体为：
定义抽取矩阵和
Figure RE-GDA0002346100140000084
其分别抽取信号X中的真实信号部分和TR信号部分；定义p为有用信号的放大倍数，则凸优化处理的表达式为：
Figure RE-GDA0002346100140000085
更具体的，包括接收机的载波求解与盲估计过程，具体为：
接收机经过光-电转化后得到一系列子载波并将子载波传输至所述BAE模块中，由BAE模块盲估计出有用信号的真正放大倍数，从而最后解调出相应的信号。
更具体的，所述接收机经过光-电转化具体将从光通道接收到的光信号进行移除循环前缀处理、串并转换处理和快速傅里叶变化处理，得到一系列子载波；其中：
第k个子载波接收的频率FD信号表示为：
Y[k]＝H[k]X[k]+N[k]
其中，X[k]表示频域FD信号X的第k个信号；N[k]是具有零均值的复加性高斯白噪声，表示与X[k]对应的第k个信号的噪声向量；H[k]是相对于信道冲击响应CIR的信道传递函数CTF，表示与X[k]对应的第k个信号的信道。
更具体的，在所述BAE模块中，采用凸优化工具箱对子载波进行凸优化求解，求出信号放大倍数需要发射的原始信号的有用信号
Figure RE-GDA0002346100140000092
和发送TR子载波使用的信号
Figure RE-GDA0002346100140000093
进一步地，定义有效信号子载波的CTF为
Figure RE-GDA0002346100140000094
对应于 TR子载波的CTF为
Figure RE-GDA0002346100140000095
定义
Figure RE-GDA0002346100140000096
其中，关于变量
Figure RE-GDA0002346100140000097
的不等式约束的对偶变量为
Figure RE-GDA0002346100140000098
关于信号放大倍数
Figure RE-GDA0002346100140000099
的不等式约束的对偶变量为
Figure RE-GDA00023461001400000910
在盲估计过程中，按照变量
Figure RE-GDA00023461001400000911
变量
Figure RE-GDA00023461001400000912
变量
Figure RE-GDA00023461001400000913
的顺序进行更新；其中：
在0时刻，被初始化为：
其中，
Figure RE-GDA00023461001400000916
表示Hadamard积，Fs中的每个元素是Hs中每个元素的倒数；Y表示向量Y[k]；若得到的
Figure RE-GDA00023461001400000917
为最优解
Figure RE-GDA00023461001400000918
采用最大似然判决得到
Figure RE-GDA00023461001400000919
的判决
Figure RE-GDA00023461001400000920
而
Figure RE-GDA00023461001400000921
的通过最大似然估计获得对应的星座图的点，其判决表达式为：
若关于变量
Figure RE-GDA00023461001400000923
的不等式约束的对偶变量的最优解为等于0时，
Figure RE-GDA00023461001400000925
为：
Figure RE-GDA00023461001400000926
其中，参数
Figure RE-GDA00023461001400000927
为一个整体变量，表示一个对角矩阵；若关于变量
Figure RE-GDA00023461001400000928
的不等式约束的对偶变量的最优解为
Figure RE-GDA00023461001400000929
不等于0时，先求解函数的零点，其中
Figure RE-GDA00023461001400000931
为：
Figure RE-GDA00023461001400000932
其相应的导数为：
因此，采用牛顿法对函数
Figure RE-GDA0002346100140000101
的零点进行求解，将得到的
Figure RE-GDA0002346100140000102
数值代入下式中，即得到
Figure RE-GDA0002346100140000103
为：
Figure RE-GDA0002346100140000104
其中，是一个Ni×Ni的单位矩阵；在更新完
Figure RE-GDA0002346100140000106
后，若关于变量
Figure RE-GDA0002346100140000107
的不等式约束的对偶变量的最优解为
Figure RE-GDA0002346100140000108
等于0时，
Figure RE-GDA0002346100140000109
为：
Figure RE-GDA00023461001400001010
若关于变量
Figure RE-GDA00023461001400001011
的不等式约束的对偶变量的最优解为
Figure RE-GDA00023461001400001012
不等于0时，
Figure RE-GDA00023461001400001013
为：
Figure RE-GDA00023461001400001014
更新
Figure RE-GDA00023461001400001015
后，得到接收机的目标函数为：
将更新后的
Figure RE-GDA00023461001400001017
作为
Figure RE-GDA00023461001400001018
代入式中，得到目标函数的数值，完成盲估计过程。
更具体的，所述的盲估计过程指在不需要发射机发送导频信号的情况下，接收机由接收到的载波信号估计得到相应的放大倍数。
在具体实施过程中，本发明提供的一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统及方法，利用TR子载波和信号失真的约束，对子载波进行凸优化求解，并利用设计在接收机中设计的BAE模块，从而接收机能够快速处理，准确地盲估计出有用信号的放大倍数。
实施例3
更具体的，为了更充分地阐述本发明所具有的有益效果，以下结合仿真分析及结果，进一步对本发明的有效性和先进性予以说明。假设一个常规的室内场景，采用一个大小为5×5×4m2的房间模型，其中VLC信道模型的最大反射阶数设置为四，而房间中心位于(0，0)。LED位于正中央，用户设备采用单个光电探测器PD来接收从LED发送的信号。其中，使用参考文献[5]中的配置A将FOV 设置为70°，除非另有说明，否则表1中的参数适用于本发明中测试的大多数场景。
表1仿真的主要参数
Figure RE-GDA0002346100140000111
在具体实施过程总，用图2和图3展示出本发明所述方法和其它先进算法的比较。它们描述的是在调光水平分别等于0.25，0.5下不同算法的误码率(bit error rate，BER)图，其中横坐标是接收机的噪声方差。在图中，本方案提出的CB-DCF 算法采用64QAM调制方式，其最高频谱效率为2.60bit/s/Hz，而其它算法，如 AHO-OFDM，我们采用64QAM和8PAM，参数使用文中指定的βACO＝βPAM＝3，其最高频谱效率为2.24bit/s/Hz；Yang提出的结合HACO和NHACO的系统，采用128QAM和8PAM，参数使用文中指定的βACO＝βPAM＝4，其最高频谱效率为2.49bit/s/Hz。由图可知，AHO-OFDM和结合HACO和NHACO的系统很容易在接收机噪声很小的情况下出现误差平板，效果不佳，而CB-CDF得到的BER 却呈现瀑布式下降，明显地随着信噪比的增加，性能越来越好。
此外，在图4中描述在电域中本方案在不同的调光水平下可取得的频谱效率。AHO-OFDM和结合HACO和NHACO的系统被用来作为比较。为了满足特定BER的需求，不同的星座图，不同的调制方案都被用来评估可取得的频谱效率。特别地，在目标BER为2×10-3，接收机的噪声方差为-110dBm条件下绘制出相关的频谱效率图。可以发现在调光水平介于20％-80％的区间中，本方案提出的方案的性能明显优于AHO-OFDM和结合HACO和NHACO的系统。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
[1]Y.Yang,Z.Zeng,J.Cheng and C.Guo,“An Enhanced DCO-OFDM Scheme forDimming Control in Visible Light Communication Systems,”IEEE PhotonicsJournal, vol.8,no.3,pp.1–13,June 2016.
[2]S.Kim and S.Y.Jung,“Modified Reed Muller Coding Scheme Made Fromthe Bent Function for Dimmable Visible Light Communications,”IEEE PhotonicsTechnology Letters,vol.25,no.1,pp.11–13,Jan.2013.
[3]Q.Wang,Z.Wang,and L.Dai,“Asymmetrical hybrid optical ofdm forvisible light communications with dimming control,”IEEE Photonics TechnologyLetters, vol.27,no.9,pp.974–977,May 2015.
[4]F.Yang and J.Gao,“Dimming Control Scheme With High Power andSpectrum Efficiency for Visible Light Communications,”IEEE Photonics Journal,vol.9,no.1, pp.1–12,Feb.2017.
[5]J.R.Barry,J.M.Kahn,W.J.Krause,E.A.Lee and D.G.Messerschmitt,“Simulation of multipath impulse response for indoor wireless opticalchannels,” IEEE Journal on SelectedAreas in Communications,vol.11,no.3,pp.367–379,Apr. 1993.

Claims (9)

1.一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统，包括发射机，其特征在于：所述发射机上设置有基于凸优化的调光控制框架，所述调光控制框架包括光-正交频分复用O-OFDM子系统、音调预留TR子系统和信号失真约束模块；其中：
所述O-OFDM子系统用于产生正交频分复用OFDM符号；所述TR子系统用于将相应的优化后的子载波信号插入所述OFDM符号中预留的子载波的相应位置；所述信号失真约束模块用于对其他携带信息的OFDM符号进行信号失真约束，得到电O-OFDM信号；最后由发射机将电O-OFDM信号转换为光信号在对应VLC通道中传输。
2.一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信系统，包括接收机，其特征在于：所述接收机上设置有幅度盲估计BAE模块；其中：
所述接收机经过光-电转化后得到一系列子载波并将子载波传输至所述BAE模块中，由BAE模块盲估计出有用信号的真正放大倍数，从而最后解调出相应的信号。
3.一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信方法，其特征在于：包括发射机的载波调制过程，包括：
光-正交频分复用O-OFDM子系统产生正交频分复用OFDM符号；
音调预留TR子系统将TR子载波插入OFDM符号中；
信号失真约束模块对其他携带信息的OFDM子载波进行信号失真约束，得到电O-OFDM信号；
最后在发射机上将电O-OFDM信号转换为光信号发射到对应VLC通道中传输。
4.根据权利要求3所述的一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信方法，其特征在于：所述发射机的载波调制过程具体为：
在O-OFDM子系统定义每一个OFDM符号中需要传递的频域FD信号子载波索引为一个集合Is＝{Ps,s＝1,2,...,Ns}，且Ps≤Ns/2-1，Ns表示一个OFDM符号所发送有用信息的子载波总数；其中，需要发射的原始信号的数值频域FD信号Xs表示为：
Figure RE-FDA0002346100130000021
用Il和Ih表示发射机中通过的光电流范围，其中，调光水平η表示为：
Figure RE-FDA0002346100130000022
其中，调光水平η由实际情况进行设置，因此得到对应的光电流均值Iav；至此，得到了OFDM符号中所需要的参数Is、Xs、Iav、Il和Ih；
在音调预留TR子系统中，定义TR子载波的索引为集合Ii＝{Pi,s＝1,2,...,Ni}，Pi≤Ni/2-1，Ni表示一个OFDM符号所承载TR子载波的总数；由此，将TR子载波插入OFDM符号中，有：
Is∪Ii＝{1,2,...,N/2-1}
Figure RE-FDA0002346100130000023
其中，Ni+Ns＝(N/2)-1，此外，采用Xi表示频域FD中使用的TR子载波变量；在信号失真约束模块，用变量ξ1量化信号失真的程度，用变量ξ2量化TR子载波信号的能量，因此在信号的时频变换中，对应的傅里叶变换矩阵为：
Figure RE-FDA0002346100130000024
其中，WN＝e-j2π/N，因此发射信号相应的频域FD信号X为：
X＝WDs
其中，参数s表示有效信号，
Figure RE-FDA0002346100130000025
N是逆快速傅里叶变换总数，R+表示正实数，其由参数Is、Xs、Iav、Il和Ih所决定；再对得到的信号X进行凸优化处理，得到电O-OFDM信号，最后由发射机进行传输。
5.根据权利要求4所述的一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信方法，其特征在于：所述凸优化处理的表达式具体为：
定义抽取矩阵
Figure RE-FDA0002346100130000026
和
Figure RE-FDA0002346100130000027
其分别抽取信号X中的真实信号部分和TR信号部分；定义p为有用信号的放大倍数，则凸优化处理的表达式为：
s.t.X＝WDs
maxs≤Ih
mins≥Il
Figure RE-FDA0002346100130000031
Figure RE-FDA0002346100130000032
Figure RE-FDA0002346100130000033
6.根据权利要求5所述的一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信方法，其特征在于：包括接收机的载波求解与盲估计过程，具体为：
接收机经过光-电转化后得到一系列子载波并将子载波传输至所述BAE模块中，由BAE模块盲估计出有用信号的真正放大倍数，从而最后解调出相应的信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信方法，其特征在于：所述接收机经过光-电转化具体将从光通道接收到的光信号进行移除循环前缀处理、串并转换处理和快速傅里叶变化处理，得到一系列子载波；其中：
第k个子载波接收的频率FD信号表示为：
Y[k]＝H[k]X[k]+N[k]
其中，X[k]表示频域FD信号X的第k个信号；N[k]是具有零均值的复加性高斯白噪声，表示与X[k]对应的第k个信号的噪声向量；H[k]是相对于信道冲击响应CIR的信道传递函数CTF，表示与X[k]对应的第k个信号的信道。
8.根据权利要求7所述的一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信方法，其特征在于：在所述BAE模块中，采用凸优化工具箱对子载波进行凸优化求解，求出信号放大倍数
Figure RE-FDA0002346100130000034
需要发射的原始信号的有用信号
Figure RE-FDA0002346100130000035
和发送TR子载波使用的信号
Figure RE-FDA0002346100130000036
进一步地，定义有效信号子载波的CTF为
Figure RE-FDA0002346100130000037
对应于TR子载波的CTF为
Figure RE-FDA0002346100130000038
定义
Figure RE-FDA0002346100130000039
其中，关于变量
Figure RE-FDA00023461001300000310
的不等式约束的对偶变量为
Figure RE-FDA00023461001300000311
关于信号放大倍数的不等式约束的对偶变量为在盲估计过程中，按照变量
Figure RE-FDA00023461001300000314
变量
Figure RE-FDA00023461001300000315
变量
Figure RE-FDA00023461001300000316
的顺序进行更新；其中：
在0时刻，
Figure RE-FDA00023461001300000317
被初始化为：
Figure RE-FDA0002346100130000041
其中，表示Hadamard积，Fs中的每个元素是Hs中每个元素的倒数；Y表示向量Y[k]；若得到的
Figure RE-FDA0002346100130000043
为最优解
Figure RE-FDA0002346100130000044
采用最大似然判决得到的判决而的通过最大似然估计获得对应的星座图的点，其判决表达式为：
Figure RE-FDA0002346100130000048
若关于变量的不等式约束的对偶变量的最优解为等于0时，
Figure RE-FDA00023461001300000411
为：
Figure RE-FDA00023461001300000412
其中，参数
Figure RE-FDA00023461001300000413
为一个整体变量，表示一个对角矩阵；若关于变量
Figure RE-FDA00023461001300000414
的不等式约束的对偶变量的最优解为
Figure RE-FDA00023461001300000415
不等于0时，先求解函数
Figure RE-FDA00023461001300000416
的零点，其中
Figure RE-FDA00023461001300000417
为：
Figure RE-FDA00023461001300000418
其相应的导数为：
Figure RE-FDA00023461001300000419
因此，采用牛顿法对函数的零点进行求解，将得到的数值代入下式中，即得到
Figure RE-FDA00023461001300000422
为：
Figure RE-FDA00023461001300000423
其中，是一个Ni×Ni的单位矩阵；在更新完
Figure RE-FDA00023461001300000425
后，若关于变量
Figure RE-FDA00023461001300000426
的不等式约束的对偶变量的最优解为
Figure RE-FDA00023461001300000427
等于0时，
Figure RE-FDA00023461001300000428
为：
Figure RE-FDA00023461001300000429
若关于变量
Figure RE-FDA00023461001300000430
的不等式约束的对偶变量的最优解为不等于0时，
Figure RE-FDA00023461001300000432
为：
Figure RE-FDA00023461001300000433
更新
Figure RE-FDA0002346100130000051
后，得到接收机的目标函数为：
Figure RE-FDA0002346100130000052
将更新后的
Figure RE-FDA0002346100130000053
作为
Figure RE-FDA0002346100130000054
代入式中，得到目标函数的数值，完成盲估计过程。
9.根据权利要求8所述的一种基于凸优化框架的调光控制可见光通信方法，其特征在于：所述的盲估计过程指在不需要发射机发送导频信号的情况下，接收机由接收到的载波信号估计得到相应的放大倍数。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070092264A1 (en) * 2005-09-30 2007-04-26 Nec Corporation Visible light control apparatus, visible light control circuit, visible light communication apparatus, and visible light control method
CN101958871A (zh) * 2010-09-16 2011-01-26 西安工业大学 一种自适应fso-ofdm传输系统及传输方法
CN109787685A (zh) * 2019-03-21 2019-05-21 东南大学 基于子载波预留的可见光ofdm系统自适应低峰比方法
CN109831252A (zh) * 2019-03-04 2019-05-31 江南大学 一种可见光通信中的多用户发送预编码设计方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070092264A1 (en) * 2005-09-30 2007-04-26 Nec Corporation Visible light control apparatus, visible light control circuit, visible light communication apparatus, and visible light control method
CN101958871A (zh) * 2010-09-16 2011-01-26 西安工业大学 一种自适应fso-ofdm传输系统及传输方法
CN109831252A (zh) * 2019-03-04 2019-05-31 江南大学 一种可见光通信中的多用户发送预编码设计方法
CN109787685A (zh) * 2019-03-21 2019-05-21 东南大学 基于子载波预留的可见光ofdm系统自适应低峰比方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
石晓娟: "基于翻转正交频分复用的光通信LED失真抑制", 《计算机仿真》 *

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