CN112910554B - 一种csk星座比特映射方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种CSK星座比特映射方法，通过确定并最大化第一个比特位bx1和第二个比特位bx2的判决区域，使得新设计的Target星座贴近于标准化的Standard星座，从而使得第一次迭代性能更加优秀，并通过对剩余的比特位的相邻星座点的汉明距离进行设置，从而构建Target星座图，使得在迭代解映射解译码时，能够增加迭代增益，并将Target星座图和Standard星座的结合应用为CSK通信系统的非规则比特映射方案，以使得能够同时满足星座的第一次迭代性能和迭代增益均较优秀的条件，从而提高系统的误比特性能。

Description

一种CSK星座比特映射方法
技术领域
本申请涉及可见光通信调制技术领域，尤其涉及一种CSK星座比特映射方法。
背景技术
在如今高速互联的时代，高速的数据传输是必要的。但随着用户数量的增加以及射频资源的稀缺，会对数据传输的速度产生一定的影响。由于可见光通信具有无需频谱申请、无电磁辐射、传输速率高、传输时可兼顾照明等优点，5G通信将可见光通信技术作为解决宽带无线接入网络中“最后一公里”问题的有效技术之一。
可见光通信(Visible Light Communication,VLC)是指利用光谱波长为380～700nm的可见光波段作为信息载体来传输信息，而可见光通信系统的发送端采用发光二极管(Light Emitting diode,LED)作为光源，通过肉眼察觉不到的、高速明暗闪烁的可见光信号来传输信息，其接收端是以光电二极管(Photo Diode,PD)作为光检测器(Photodetector，PD)，将光信号转化为相应的电信号，然后对电信号进行A/D转换、解调、解码等处理来还原传输信息。由于人眼的视觉暂留现象(Visual Staying Phenomenon)，只要调制频率足够高，人眼就不会察觉到照明光线的变化，因此，使用LED进行通信并不会影响LED的照明功能。可见光通信的传输距离可以达到几米到几十米，由于LED照明被越来越多的应用在室内照明中，因此，可见光通信非常适合被应用在室内环境中。
在可见光通信调制技术中，常用的调制方式有开关键控(On-Off keying,OOK)、脉冲位置调制(Pulse-Position Modulation,PPM)、颜色键控(Color-shift keying,CSK)等。
其中，在2011年，IEEE发布了关于VLC的第一个国际标准—-IEEE 802.15.7，在这个标准中提出了可见光通信的三层物理链路模型，并规定CSK工作在第三层链路层。CSK是通过混合RGB三色LED光源发出某种颜色的光以满足照明和通信需求，响应速度快，调制带宽较大，更利于实现高速数据传输。
为了保证通信的同时不影响照明，规定CSK调制信号的总光功率不变。同时，由于CSK调制方式不通过光强的改变来传输信息，所以，CSK调制方式能彻底避免LED的闪烁问题。对于一个CSK系统，误码率不仅跟星座点位置有关，还与星座比特映射有关。IEEE802.15.7标准中提出了标准化的星座比特映射，也称为“Standard”星座。
在现有的VLC通信系统中，对CSK星座的比特映射都是基于一个CSK星座，我们把这种基于一个CSK星座的比特映射称为“规则映射”，而对于迭代解映射解译码的CSK-VLC系统，在给定内迭代和外迭代次数的情况下，不同的星座会产生不同的迭代增益。随着迭代次数的增加，Standard星座具有比较少的迭代增益，但是它的第一次迭代的性能最好，而其他的星座迭代增益比Standard星座大，但是它们的第一次迭代的性能差。假设以误比特性能做为衡量系统的指标，在一定的迭代次数的情况下，星座的第一次迭代性能需要重点考虑，同时，为了利用迭代解映射解译码的优势，星座的迭代增益也需考虑。但目前的CSK星座映射方案无法同时满足星座的第一次迭代性能和迭代增益均较优秀的条件，从而造成系统的误比特性能较差。
发明内容
本申请提供了一种CSK星座比特映射方法，用于解决目前的CSK星座映射方案无法同时满足星座的第一次迭代性能和迭代增益均较优秀的条件，从而造成系统的误比特性能较差的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种CSK星座比特映射方法，假设一个M阶的CSK星座点集合为ψ，第x个星座点ψx包含m个比特位{bx1,bx2,...,bxm}，其中，m＝log2M，
Figure BDA0002905804170000021
u＝1,2,...,m，定义
Figure BDA0002905804170000022
为第u个比特位bxu在集合ψ中的子集合；包括以下步骤：
S101：假设在三角形星座平面内有n个星座点，在所述n个星座点中，根据从左至右，从上至下的原则，选择n/2个连续且相邻距离最近的星座点，以确定第一个比特位bx1在集合ψ中的子集合
Figure BDA0002905804170000023
同时，根据从上至下，从右至左的原则，选择n/2个连续且相邻距离最近的星座点，以确定第二个比特位bx2在集合ψ中的子集合
Figure BDA0002905804170000032
S102：按照同一比特位置上映射不同比特的星座点之间的汉明距离尽可能大的原则，以所述第一个比特位bx1和所述第二个比特位bx2的判决区域最大化为目的，分别划分所述第一个比特位bx1和所述第二个比特位bx2的判决区域；
S103：按照三角形线上相邻星座点的汉明距离尽可能大的原则，确定所述三角形星座平面边线上的星座点，同时，按照最相邻星座点的汉明距离尽可能小的原则，确定所述三角形星座平面非边线的内部区域的星座点，从而确定剩余m-2个比特位{bx3,...,bxm}在集合ψ中的子集合
Figure BDA0002905804170000031
m＞2，进而得到全局最优的CSK星座图，记为Target星座；
S104：将所述Target星座和预先获取的Standard星座的结合应用作为CSK通信系统的非规则比特映射方案。
优选地，所述三角形星座为8-CSK星座或16-CSK星座。
优选地，所述预先获取的Standard星座由IEEE 802.15.7标准获的。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请提供的一种CSK星座比特映射方法，通过确定并最大化第一个比特位bx1和第二个比特位bx2的判决区域，使得新设计的Target星座贴近于标准化的Standard星座，从而使得第一次迭代性能更加优秀，并通过对剩余的比特位的相邻星座点的汉明距离进行设置，从而构建Target星座图，使得在迭代解映射解译码时，能够增加迭代增益，并将Target星座图和Standard星座的结合应用为CSK通信系统的非规则比特映射方案，以使得能够同时满足星座的第一次迭代性能和迭代增益均较优秀的条件，从而提高系统的误比特性能。
附图说明
图1为本申请实施例提供的CSK-VLC通信系统模型的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种CSK星座比特映射方法的流程图；
图3为本申请实施例提供的16-CSK星座第一个比特位bx1的判决区域划分示意图；
图4为本申请实施例提供的16-CSK星座第二个比特位bx2的判决区域划分示意图；
图5为本申请实施例提供的8-CSK的Target星座图；
图6为本申请实施例提供的16-CSK的Target星座图；
图7为本申请实施例提供的8-CSK调制的Standard星座图；
图8为本申请实施例提供的16-CSK调制的Standard星座图；
图9为本申请实施例提供的8-CSK调制的CriteriorⅡ星座图；
图10为本申请实施例提供的16-CSK调制的CriteriorⅡ星座图；
图11为本申请实施例提供的16-CSK调制的SP-TypeⅡ星座图；
图12为本申请实施例提供的16-CSK调制的SP-TypeⅤ星座图；
图13为本申请实施例提供的RJA原模图基于8-CSK在不同的比特映射方案下的误比特性能示意图；
图14为本申请实施例提供的RJA原模图基于16-CSK在不同的比特映射方案下的误比特性能示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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。
在现有的VLC通信系统中，对CSK星座的比特映射都是基于一个CSK星座，本发明是充分考虑在迭代解映射解译码的CSK-VLC系统中，在给定内迭代和外迭代次数的情况下，不同的星座会产生不同的迭代增益。随着迭代次数的增加，Standard星座具有比较少的迭代增益，但是，它的第一次迭代的性能最好。其他的星座迭代增益比Standard星座大，但是，其他的星座的第一次迭代的性能较差。假设以误比特性能做为衡量系统的指标，在一定的迭代次数的情况下，星座的第一次迭代性能必须要考虑，同时，为了利用迭代解映射解译码的优势，星座的迭代增益也需考虑。
如图1所示，其表示为CSK-VLC通信系统模型，在发送端，K个信息比特序列经过P-LDPC编码器，生成L个编码比特，L个编码比特经过一个随机交织后，进入映射器，在映射器中将L个编码比特平均分成两部分，即前L/2个编码比特进入CSK子映射1，后L/2个编码比特进入CSK子映射2。对于一个M-CSK符号，代表了红色、绿色和蓝色LED灯(RGB-LED)的瞬时驱动电流。也即每个CSK符号代表RGB-LED的强度。所以，CSK调制方式是一种强度调制方案。对于一个M-CSK星座而言，每个星座点代表了一个三维强度向量
Figure BDA0002905804170000051
其向量中的元素分别代表RGB-LED的瞬时强度值。为了避免闪烁问题，每个星座点总的强度值保持恒定，即sr+sg+sb＝1。最后，RGB-LED合成一个感知的颜色光信号经过VLC信道。
在接收端，可见光信号分别经过RGB三个滤光片，将三种颜色的光分离出来，然后分别经过光电检测器(PDs)转换成相应的电信号，对应的电信号进入一个串行级联解码框架进行迭代译码。
假设一个M阶的CSK星座点集合为ψ，第x个星座点ψx包含m个比特位{bx1,bx2,...,bxm}，其中，m＝log2M，
Figure BDA0002905804170000052
u＝1,2,...,m，定义
Figure BDA0002905804170000053
为第u个比特位bxu在集合ψ中的子集合。
为此，本发明提供的一种CSK星座比特映射方法，请参阅图2，包括以下步骤：
S101：假设在三角形星座平面内有n个星座点，在n个星座点中，根据从左至右，从上至下的原则，选择n/2个连续且相邻距离最近的星座点，以确定第一个比特位bx1在集合ψ中的子集合
Figure BDA0002905804170000054
同时，根据从上至下，从右至左的原则，选择n/2个连续且相邻距离最近的星座点，以确定第二个比特位bx2在集合ψ中的子集合
Figure BDA0002905804170000055
需要说明的是，本实施例中的三角形星座为8-CSK星座或16-CSK星座。
可以理解的是，从左至右，从上至下的原则和从上至下，从右至左的原则均是以三角形星座平面内的n个星座点为基准的顺序原则。
S102：按照同一比特位置上映射不同比特的星座点之间的汉明距离尽可能大的原则，以第一个比特位bx1和第二个比特位bx2的判决区域最大化为目的，分别划分第一个比特位bx1和第二个比特位bx2的判决区域；
具体地，以16-CSK星座为例，如图3～4所示，分别表示第一个比特位bx1和第二个比特位bx2的判决区域的划分，图3中，阴影部分表示bx1＝1(即映射符号的第一位为1)的星座点集合，空白部分表示bx1＝0(即映射符号的第一位为0)的星座点集合，图4中，阴影部分表示bx2＝1(即映射符号的第一位为1)的星座点集合，空白部分表示bx2＝0(即映射符号的第一位为0)的星座点集合，通过步骤S101～S102，第一个比特位bx1和第二个比特位bx2的判决区域可以实现最大化。从而可以提高第一个比特位bx1和第二个比特位bx2的可靠性，使得该星座的设计构架的第一次迭代性能接近于标准化的星座设计，以使第一次迭代性能较为优秀。
S103：按照三角形线上相邻星座点的汉明距离尽可能大的原则，确定三角形星座平面边线上的星座点，同时，按照最相邻星座点的汉明距离尽可能小的原则，确定三角形星座平面非边线的内部区域的星座点，从而确定剩余m-2个比特位{bx3,...,bxm}在集合ψ中的子集合
Figure BDA0002905804170000061
m＞2，进而得到全局最优的CSK星座图，记为Target星座；
需要说明的是，如图5所示，表示为8-CSK的Target星座图，其中，三角形星座平面最上面的顶点的第三位的映射比特符号为0，如图6所示，表示为16-CSK的Target星座图，其中，三角形星座平面最上面的顶点的第三位、第四位的映射比特符号为00，由于三角形星座平面的特殊性，不可能使相邻星座点的汉明距离完全最大化，因此，本实施例需要按照最相邻星座点的汉明距离尽可能小的原则，确定三角形星座平面非边线的内部区域的星座点。从而使得在迭代解映射解译码时，能够增加所设计的星座的迭代增益。
本实施例中，通过步骤S101～S103得到的8-CSK的Target星座图和16-CSK的Target星座图分别如图5和6所示。
S104：将Target星座和预先获取的Standard星座的结合应用作为CSK通信系统的非规则比特映射方案。
需要说明的是，如图7～8所示，分别表示8-CSK调制的Standard星座和16-CSK调制的Standard星座，预先获取的Standard星座由IEEE 802.15.7标准获的，也即为标准化的星座，能够在迭代解映射解译码的VLC系统中，具有最好的第一次迭代性能。这表明从译码器输出的初始软信息具有高的可靠性，有助于迭代解映射解译码的VLC系统取得更可靠的误比特性能。
同时，如图1所示，将Target星座和预先获取的Standard星座作为CSK通信系统的非规则比特映射方案具体是将Target星座和Standard星座可以分别作为CSK子映射1和CSK子映射2。即在一个码字中使用两个CSK星座，我们把这种基于两个CSK星座的比特映射称为“非规则映射”。
将本发明Target星座和Standard星座结合应用的非规则比特映射方案与Standard星座的规则比特映射方案进行比较，值得注意的是，Standard星座的规则比特映射方案表示只使用一个Standard星座，即将一个编码比特映射到一个Standard星座上，同时，为了证明本发明设计的Target星座在非规则比特映射方案中优越性，在8-CSK调制中，用已有的CriteriorⅡ星座代替Target星座，8-CSK调制中的CriteriorⅡ如图9所示，在16-CSK调制中，分别用已有的CriteriorⅡ星座、SP-TypeⅡ星座和SP-TypeⅤ星座代替Target星座进行比较，6-CSK调制中的CriteriorⅡ星座、SP-TypeⅡ星座和SP-TypeⅤ分别如图10～12所示，以下基于上述星座映射方案通过仿真实例说明本发明提供的CSK映射方案的优越性。
然后，选取RJA原模图码作为本系统的纠错码，RJA原模图码的基础矩阵定义为BRJA，其码率为1/2，基础矩阵BRJA为：
Figure BDA0002905804170000071
分别考虑了8-CSK和16-CSK调制，利用PEXIT算法评估了RJA原模图码字在各个CSK比特映射方案下的性能。测出的8CSK译码门限值如表1所示，测出的16-CSK译码门限值如表2所示。
表1不同8-CSK比特映射方案下RJA原模图的译码门限值(单位：dB)
Figure BDA0002905804170000072
表2不同16-CSK比特映射方案下RJA原模图的译码门限值(单位：dB)
Figure BDA0002905804170000081
由表1和表2可以得出，RJA原模图在Target星座和Standard星座结合应用的非规则比特映射方案下的译码门限值最小，表明RJA原模图在Target星座和Standard星座结合应用的非规则比特映射方案下比在Standard规则比特映射方案下具有更好的瀑布区性能。
除此之外，对于8-CSK调制，RJA原模图在Target星座和Standard星座结合应用的非规则比特映射方案下比在“Standard+CriterionⅡ”非规则比特映射方案下具有更好的瀑布区性能。
对于16-CSK调制，RJA原模图在Target星座和Standard星座结合应用的非规则比特映射方案下比在“Standard+CriterionⅡ”非规则比特映射方案下以及“Standard+SP-TypeⅡ”非规则比特映射方案下和“Standard+SP-TypeⅤ”非规则比特映射方案下具有更好的瀑布区性能。
由此可以看出，本发明提供的Target星座在非规则比特映射方案下也是最优的。
基于上述不同的比特映射方案，对码率为1/2的RJA原模图码，在CSK-VLC系统上进行的误比特性能仿真，8-CSK调制仿真结果如图13所示，16-CSK调制仿真结果如图14所示。其中传输码字长度4800，采用BP译码算法，内迭代次数为25，外迭代次数为8。
从图13可以得到，在BER＝10-5时，Target星座和Standard星座结合应用的非规则比特映射方案与Standard星座规则比特映射方案和“Standard+CriterionⅡ”非规则比特映射方案相比较，分别获得大约0.1dB和0.2dB的增益。从图14中可以得到，在BER＝10-5时，Target星座和Standard星座结合应用的非规则比特映射方案分别与Standard星座规则比特映射方案、“Standard+CriterionⅡ”非规则比特映射方案、“Standard+SP-TypeⅡ”非规则比特映射方案和“Standard+SP-TypeⅤ”非规则比特映射方案相比较，获得大约0.09dB，0.24dB，0.34dB和0.42dB的增益。这表明本发明提供的Target星座和Standard星座结合应用的非规则比特映射方案比Standard星座规则比特映射方案更优越，同时，说明Target星座在非规则比特映射方案中是最优的。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种CSK星座比特映射方法，假设一个M阶的CSK星座点集合为ψ，第x个星座点ψx包含m个比特位{bx1,bx2,...,bxm}，其中，m＝log2M，
Figure FDA0003222007430000011
u＝1,2,...,m，定义
Figure FDA0003222007430000012
为第u个比特位bxu在集合ψ中的子集合；其特征在于，包括以下步骤：
S101：假设在三角形星座平面内有n个星座点，在所述n个星座点中，根据从左至右，从上至下的原则，选择n/2个连续且相邻距离最近的星座点，以确定第一个比特位bx1在集合ψ中的子集合
Figure FDA0003222007430000013
同时，根据从上至下，从右至左的原则，选择n/2个连续且相邻距离最近的星座点，以确定第二个比特位bx2在集合ψ中的子集合
Figure FDA0003222007430000014
S102：按照同一比特位置上映射不同比特的星座点之间的汉明距离尽可能大的原则，以所述第一个比特位bx1和所述第二个比特位bx2的判决区域最大化为目的，分别划分所述第一个比特位bx1和所述第二个比特位bx2的判决区域；
S103：按照三角形线上相邻星座点的汉明距离尽可能大的原则，确定所述三角形星座平面边线上的星座点，同时，按照最相邻星座点的汉明距离尽可能小的原则，确定所述三角形星座平面非边线的内部区域的星座点，从而确定剩余m-2个比特位{bx3,...,bxm}在集合ψ中的子集合
Figure FDA0003222007430000015
进而得到全局最优的CSK星座图，记为Target星座；
S104：将所述Target星座和预先获取的Standard星座的结合应用作为CSK通信系统的非规则比特映射方案，具体为将Target星座和Standard星座分别作为CSK子映射1和CSK子映射2，从而在一个码字中使用两个CSK星座，进而形成基于两个CSK星座的非规则映射。
2.根据权利要求1所述的CSK星座比特映射方法，其特征在于，所述三角形星座为8-CSK星座或16-CSK星座。
3.根据权利要求1所述的CSK星座比特映射方法，其特征在于，所述预先获取的Standard星座由IEEE 802.15.7标准获得。
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