CN114866143B - 一种可见光通信中基于色移键控的联合编码调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可见光通信中基于色移键控的联合编码调制方法，适用于通信领域。基于对称性星座设计原理引入三角形中线划分，在感知色约束下在由色移键控系统中的光强构成二维强度平面上提出基于三角形中线划分的色移键控星座MPCSK设计方法；设计二维强度平面上的星座结构；对二维强度平面的MPCSK星座符号进行子集划分后并将子集符号分别拓展到光强构成的三维强度空间中的不同强度平面上，向其中引入有限状态机FSM增大星座点之间的最小欧式距离，设定目标函数，根据目标函数设计M‑MPCSK‑JCM，从而给出的FSM结构、星座符号子集划分和具体的星座点坐标。将二维强度平面中三角形平面的CSK星座拓展到三维强度空间中并引入FSM编码，显著地降低可见光通信的误码率。

Description

一种可见光通信中基于色移键控的联合编码调制方法
技术领域
本发明涉及一种基于色移键控的联合编码调制方法，特别涉及一种可见光通信系统的基于中线划分的色移键控联合编码调制方法，属于通信领域。
背景技术
可见光通信VLC因其在能效与室内无线通信等方面的显著优势而备受关注，其基本原理：发端采用发光二极管LED发送信息数据，信号经光信道传输后到达接收端，收端采用光电二极管PD检测器对光信号进行直接检测。其中，值得注意的是：在用于VLC系统的各种调制方法中，通过改变RGB LED强度的色移键控CSK调制已经在IEEE 802.15.7标准中被选择作为高数据速率下的强度调制替代方案。
CSK调制技术的基本原理是：首先，CSK使用的灯光的颜色来传输信息，而不是闪烁。输入数据到达调制模块后，先是进行颜色编码(Color Coding)，每一个符号根据CSK星座图映射关系找到所对应的色度值。接着，x-y to RGB模块会将符号所对应的色度值转换成RGB LED中每种颜色相应的发光功率；随后在调制模块根据相应的约束条件生成一个由3个元素组成的数组来消除光闪烁，并通过模数转换成LED驱动电流，驱动RGB LED达到所需颜色的亮度，从而实现CSK信号的传输。由于标准方案的CSK调制误码率较高，因此，在可见光通信场景中，基于CSK调制的基础上，如何降低误码率进而实现可见光信号传输的高效可靠一直是专家学者的研究重点。
为了得到适用于可见光通信中高效可靠的CSK调制方式，本案应运而生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种基于可见光通信的色移键控联合编码调制方法，其通过引入星座三角形中线划分的思想且将CSK的二维星座图扩展到三维空间来优化CSK星座并加入有限状态机的方法，增大CSK星座之间的MED以降低可见光通信传输的误码率，提高传输的可靠性。
为实现上述技术目的，本发明的可见光通信中基于色移键控的联合编码调制方法，在对称性星座设计中引入三角形中线划分，在感知色约束条件下在由色移键控系统中的光强构成二维强度平面上提出基于三角形中线划分的色移键控星座MPCSK设计方法；利用色移键控星座MPCSK设计方法分别设计二维强度平面上的6-MPCSK与9-MPCSK的星座结构；设计MPCSK星座符号子集的划分准则，对二维强度平面的MPCSK星座符号进行子集划分后并将子集符号分别拓展到光强构成的三维强度空间中的不同强度平面上，得到多强度平面构成的MPCSK星座结构；引入有限状态机FSM增大MPCSK星座结构中星座点之间的最小欧式距离MED,以最大化MED为目标设定目标函数，基于目标函数给出基于中线划分的色移键控联合编码调制方案MPCSK-JCM的设计步骤；根据该MPCS-JCM方案设计步骤设计7-MPCSK-JCM和10-MPCSK-JCM方案，最后利用7-MPCSK-JCM和10-MPCSK-JCM方案中7-MPCSK、10-MPCSK的FSM结构、星座符号子集划分和具体的星座点坐标信息，实现可见光通信中基于色移键控的联合编码调制方法。
进一步，使用发射端和接收端，发射端发送的信息比特经过联合编码调制以获得发送的符号，符号输出后使用数模转换器将其转换为LED驱动电流，驱动RGB LEDs以实现所需的颜色亮度，然后通过光信道；RGB LEDs中产生的光信号在光信道传输中会受到加性高斯白噪声的影响；在接收端处使用三个光电探测器接收来自光信道的信号，并在三个光电探测器之前配置三个滤光器，三个光电探测器将接收到的光信号转换为电流再由模数转换器ADC转换为数字值，然后通过联合解调解码进行处理，以输出发送的信息比特；
具体步骤如下：
步骤A：在对称性星座设计原理中引入三角形中线划分法来设计色移键控星座，利用感知色约束色移键控星座，在由色移键控系统中的光强构成二维强度平面的方法基础上获得基于三角形中线划分的色移键控星座MPCSK设计方法；
步骤B：利用基于三角形中线划分的色移键控星座MPCSK设计方法，分别设计二维强度平面上的6-MPCSK与9-MPCSK的色移键控星座结构；
步骤C：设计色移键控星座的星座符号子集的划分准则，对二维强度平面的色移键控星座符号划分子集，将子集中的符号分别拓展到光强构成的三维强度空间中的不同强度平面上，得到多强度平面构成的色移键控星座结构；
步骤D：通过向MPCSK中引入限状态机FSM，以增大多强度平面构成的色移键控星座中星座点之间的最小欧式距离MED，以最大化MED为目标设定目标函数，通过目标函数更新基于中线划分的色移键控联合编码调制方案MPCSK-JCM；
步骤E：根据基于中线划分的色移键控联合编码调制方案的设计步骤，具体设计7-MPCSK-JCM和10-MPCSK-JCM方案，获得两种设计方案的限状态机FSM结构、星座符号子集划分和具体的星座点坐标，最后分别对7-MPCSK-JCM和10-MPCSK-JCM方案的星座符号进行信息位映射，完成可见光通信中基于色移键控的联合编码调制方法的设计。
进一步，步骤A具体内容如下：
步骤A1:通过将多个恒定强度的二维平面限制在三维强度空间中的非负空间中，从多个恒定强度的二维平面中任暂选择一个恒定强度为1的二维平面，在该二维平面上设定一个质心为感知色约束强度为TC的平面等边三角形，平面等边三角形的三个顶点为星座点，三个顶点的符号分别为s1、s2和s3；
步骤A2：在步骤A1中定义的二维强度平面的等边三角形上绘制三条中线；三条中线的交点为质心TC；在中线上设置对称的星座坐标，并在感知色约束下确保每条中线上的星座符号的数量相等以保证星座结构的严格对称性，从而获得M-MPCSK星座符号的数量M，即M＝3K,K＝2,3；
步骤A3：M-MPCSK星座中，设星座中各点的集合S＝{s1,s2,s3,…,sM},其中M＝3K,K＝2,3；使用下式计算si和sj之间的欧氏距离di,j：
计算sk与TC的欧氏距离dk,c：
其中/>
式中，si、sj、sk都属于星座各点集合S，si、sj表示集合中任两个不同的符号，sk表示集合中任一符号，dk,c表示星座集合中任一星座点与质心Tc距离；
利用公式：计算MPCSK星座在二维强度平面上的最小欧式距离d2D,min。
进一步，步骤B具体内容如下：
步骤B1：在二维强度平面的等边三角形中画出它的三条中线，三条线相交于等边三角形的质心Tc，将等边三角形的三个顶点s1、s2和s3作为MPCSK的三个星座点，然后在三条中线上另外定义三个星座点s4、s5和s6，满足星座点s1到s4的欧式距离等于星座点s2到s5的欧式距离等于星座点s3到s6的欧式距离等于星座点s4到等边三角形的质心Tc的欧式距离：d1,4＝d2,5＝d3,6＝d4,c，从而得到二维强度平面上的6-MPCSK星座结构；
步骤B2：基于6-MPCSK星座设计9-MPCSK星座：进一步在三条中线与等边三角形的三条边的三个交点定义为三个星座点s7、s8和s9，并满足d7,c＝d8,c＝d9,c＝d4,c。
进一步，步骤C具体内容如下：
步骤C1：为了增大二维强度平面上的MPCSK星座的之间的MED，因此在将其拓展到三维强度空间的不同强度平面上时需要在感知色约束下严格依据对称性原则实施：首先将MPCSK星座点的符号集S划分为两个符号子集S1和S2；定义di,min为符号子集Si,i＝1,2的最小欧式距离，并确保每个符号子集的质心为TC，此时d1,min>d2,min,由此得到二维强度平面上的MPCSK星座符号子集的两个划分准则：
表示符号子集的光强需要等于Tc以需要满足感知色约束；
依照上述划分准则对6-MPCSK和9-MPCSK的星座符号子集进行划分；
步骤C2：过将划分好的两个符号子集分配给两个不同的强度平面，从而在三维强度空间中构造MPCSK星座；在6-MPCSK和9-MPCSK的符号子集中再分别添加一个星座符号子集S3，星座符号子集S3为二维强度平面等边三角形的质心TC，将两个添加的星座符号子集分别定义为{s7}和{s10},由于6-MPCSK和9-MPCSK分别增加了一个星座点，因此生成7-MPCSK和10-MPCSK；
步骤C3：为了使发光功率尽可能地低，在7-MPCSK和10-MPCSK中需要将大MED的符号子集配置在低强度平面，将小MED的符号子集配置在高强度平面；设置Li为第i个强度平面的强度使得L1<L2<L3且i＝1,2,3；此外，符号子集S3被分配给每个M-MPCSK星座的最大强度平面；因此由多强度平面构成三维强度空间中的MPCSK星座中，每个强度平面的都能保证星座点感知色约束TC在相应平面的三角形质心上：其中且/>为常数；
步骤C4：最后根据步骤C3中的设计准则和方法，得到三维强度空间中的7-MPCSK和10-MPCSK星座结构。
进一步，步骤D具体内容如下：
步骤D1：向星座点之间的最小欧式距离MED引入有限状态机FSM，其中有限状态机FSM编码后的最小欧氏距离的平方式中，/>表示并行MPCSK调制符号链路转换的MED的平方，即一个符号子集内的星座点符号之间MED的平方；/>则表示两个特定MPCSK调制符号子集转换路径之间的MED的平方即不同子集之间MED的平方的两倍；
步骤D2:为了在最大化MED的条件下获得星座符号子集的划分和三维强度空间的MPCSK星座符号坐标，设定目标函数满足表示任一二维强度平面上的MED的平方；
步骤D3：利用目标函数从7-MPCSK与10-MPCSK的星座符号集S中分别选出符号集S′，使得|S′|＝2m,同时，必须确保同一强度平面中每个符号的选择概率相等；将符号集S′拆分为Q个子集{S′1,S′2,...,S′Q}且Q>1；
步骤D4：重复执行Q次步骤D3完成星座符号子集的划分；
步骤D5：在目标函数和感知色约束的条件下，利用以下公式以获得三维强度空间的MPCSK星座符号坐标：
其中，α≠α′表示在划分完的Q个子集中不同符号子集内星座点MED的平方应该相等；/>q≠q′表示在划分完的Q个子集中任两个不同符号子集之间的星座点MED应该相等。
进一步，步骤E具体内容如下：
步骤E1：在目标函数约束的条件下，利用三维MPCSK星座设计具有Q个状态的有限状态机FSM,其中dc,min＝dpar，且满足感知色约束：其中p(si)表示MPCSK传输的调制符号si,p(si)∈ΛM,M＝7,10的先验概率；
步骤E2：利用色移键控联合编码调制方案MPCSK-JCM结合目标函数的约束条件设计7-MPCSK-JCM：数据传输码率为2比特/符号，首先从7-MPCSK的集合中分出/>随后将/>划分成三个子集：/>和/>符号集/>划分成三个子集：/>和/>划分成三个子集：/>和/>最优的星座设计方案通过在三角形中线上移动符号坐标来获得，并对座点坐标具体功率归一化；
步骤E3：使用三维强度空间中的7-MPCSK星座来创建7-MPCSK-JCM码的FSM；同样根据传输数据码率，设定FSM的Q＝3，因此7-MPCSK-JCM方案的FSM结构包括三个状态:ST1、ST2和ST3；其中FSM的状态ST1：和/>分别表示的输出符号子集被从当前状态ST1分别转换到下一个状态ST1、ST2和ST3；根据步骤E1与步骤D中的设计规则，7-MPCSK-JCM码存在多个可能的FSM，但MED不改变，在多个可能的FSM中选择一个作为7-MPCSK-JCM方案的FSM，通过观察得到该7-MPCSK-JCM方案的FSM结构在星座符号功率归一化后满足感知色约束，其传输符号的先验概率向量为：/>
步骤E4：在7-MPCSK-JCM方案的基础上设计10-MPCSK-JCM方案；设传输数据的码率为3比特/符号，获取星座符号划分的子集，通过计算获得功率归一化后三维强度空间的10-MPCSK星座坐标，获得FSM的传输符号的先验概率向量为：
步骤E5：最后根据步骤E1-步骤E4设计的7-MPCSK-JCM和10-MPCSKJCM方案，将它们的FSM每个状态上的星座符号分别映射到信息位上，完成色移键控的星座设计。
有益效果：
本方法通过优化设计将二维强度平面中三角形平面的CSK星座拓展到三维强度空间中并引入FSM编码，以增大星座点之间的MED进而能够显著地降低可见光通信的误码率。
附图说明：
图1为本发明所采用的CSK通信系统的示意框图；
图2为本发明的一个实施例中多个强度平面组成CSK星座的三维强度空间示意图；
图3为本发明的一个实施例中6-MPCSK和9-MPCSK的结构示意图；
图4为本发明的一个实施例中7-MPCSK和10-MPCSK的结构示意图；
图5为本发明的一个实施例中M-MPCSK-JCM方案的FSM结构示意图；
图6为本发明的一个实施例中多种CSK方案比较下的最小MED的平方与传输数据码率的关系示意图；
图7为本发明的一个实施例中提出的7-MPCSK-JCM方案与其他CSK方案的BER性能比较示意图；
图8为本发明的一个实施例中提出的10-MPCSK-JCM方案与其他CSK方案的BER性能比较示意图。
具体实施方式为：
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
图1给出了本发明所采用的CSK通信系统的框图。在该系统中，M阶调制的星座包括了M个CSK符号。因此，CSK星座符号集可以表示为：
其中，第i个符号si＝[sr,i,sg,i,sb,i]T是一个三维矢量，其中元素为RGB LED的发射光强度。同时，符号的每个元素都是正的，其中[·]T表示转置运算符。通常，每个CSK符号的总光强度会被归一化为常数sr,i+sg,i+sb,i＝1，其中1≤i≤M.
在发射端处，发送的信息比特经过联合编码调制以获得发送的符号。符号输出后使用数模转换器(DAC)将其转换为LED驱动电流，驱动RGB LEDs以实现所需的颜色亮度，然后通过光信道。
RGB LED中产生的光信号在光信道传输中会受到加性高斯白噪声AWGN的影响。在接收端处，三个光电探测器PD用于接收来自光信道的信号，并且有三个滤光器被配置在三个PD之前，如图1所示。三个PD将接收到的光信号转换为电流再由模数转换器ADC转换为数字值，然后通过联合解调解码进行处理，以输出发送的信息比特。
一种基于可见光通信的色移键控联合编码调制方法，包括以下步骤：
步骤A：基于对称性星座设计原理，引入三角形中线划分的思想，在感知色约束下，在由色移键控系统中的光强构成二维强度平面上提出基于三角形中线划分的色移键控星座(MPCSK)设计方法。
上述步骤A的具体步骤是：
步骤A1:由于本发明所采用的CSK系统中CSK星座符号可以是一个由发射光强度构成三维矢量，因此CSK星座符号存在于一个三维强度空间中,如图2所示，考虑使用多个恒定强度的二维平面，并将多个恒定强度的二维平面限制在三维强度空间中的非负空间中；在这个三维强度空间中首先选择一个恒定强度的二维平面，在平面上首先选择三个的顶点作为星座点，形成一个质心为感知色约束TC的强度平面三角形；相应的符号分别为s1、s2和s3。
步骤A2：在步骤A1中定义的二维强度平面的等边三角形上绘制三条中线；三条中线的交点为质心TC；在中线上设置对称的星座坐标，在感知色约束下需要确保每条中线上的星座符号的数量相等即保证星座结构的严格对称性；由此可以获得M-MPCSK星座符号的数量M，即M＝3K,K＝2,3。
步骤A3：在本发明计划设计的MPCSK星座中，令星座符号集S＝{s1,s2,s3,…,sM},其中M＝3K,K＝2,3；令di,j表示si和sj之间的欧氏距离；再令dk,c表示sk与TC的欧氏距离，由此可以定义：和/>其中/>从上述的欧氏距离表达式中，进一步得到MPCSK星座在二维强度平面上的最小欧式距离，表示为：/>
步骤B：基于上述步骤A中提出的MPCSK星座设计方法，分别设计二维强度平面上的6-MPCSK与9-MPCSK的星座结构。
上述步骤B的具体步骤是：
步骤B1：对于6-MPCSK星座，基于二维强度平面的等边三角形，我们先画出它的三条中线，这三条线相交于三角形的质心Tc。我们首先考虑三角形的三个顶点s1、s2和s3作为MPCSK的三个星座点；随后，考虑三条中线上定义剩下三个星座点s4、s5和s6，使得d1,4＝d2,5＝d3,6＝d4,c，得到二维强度平面上的6-MPCSK星座结构如图3中的(a)所示；
步骤B2：基于步骤B1中6-MPCSK星座设计10-MPCSK星座，我们进一步考虑三个中线上另外的三个星座点s7、s8和s9，使得d7,c＝d8,c＝d9,c＝d4,c；9-MPCSK星座结构如图3中的(b)所示；
步骤C：设计MPCSK星座符号子集的划分准则，对二维强度平面的MPCSK星座符号进行子集划分后并将子集符号分别拓展到光强构成的三维强度空间中的不同强度平面上，得到多强度平面构成的MPCSK星座结构
上述步骤C的具体步骤是：
步骤C1：由于二维强度平面上的MPCSK星座点较多，它们之间的MED较小，因此为了增大星座点之间的MED，在感知色约束下我们要依据严格的对称性将其拓展到三维强度空间的不同强度平面上。首先我们要对星座符号集S进行子集划分，将其分为两个符号子集S1和S2；定义di,min为符号子集Si,i＝1,2的最小欧式距离，并确保每个符号子集的质心为TC，此时d1,min>d2,min,由此我们可以得到二维强度平面上的MPCSK星座符号子集的两个划分准则：
根据以上准则对6-MPCSK和9-MPCSK的星座符号子集进行划分，划分结果如表1所示：
表1 M-MPCSK的符号子集划分，M∈{6,9
步骤C2：为了在三维强度空间中构造MPCSK星座，通过将划分好的两个符号子集分配给两个不同的强度平面，从而在三维强度空间中构造MPCSK星座；随后添加，在6-MPCSK和9-MPCSK的符号子集中再分别添加星座符号一个子集S3，它是二维强度平面三角形的质心TC，将它们分别定义为{s7}和{s10},由于分别增加了一个星座点，从而将6-MPCSK和9-MPCSK改称为7-MPCSK和10-MPCSK。
步骤C3：为了使发光功率尽可能地低，对于7-MPCSK和10-MPCSK，分别将具有较大MED的符号子集配置在低强度平面，并且将具有较小MED的符号子集配置在高强度平面；我们设置Li为第i个强度平面的强度使得L1<L2<L3且i＝1,2,3。此外，符号子集S3被分配给每个M-MPCSK星座的最大强度平面，7-MPCSK和10-MPCSK的结构如图4中的(a)(b)所示；因此可以观察到，对于由多强度平面构成三维强度空间中的MPCSK星座中，每个强度平面的都能保证星座点感知色约束TC在相应平面的三角形质心上：其中且/>为常数。
步骤C4：最后，对步骤C3中设计的三维空间MPCSK星座的平均光强度进行归一化处理，由此就得到了三维强度空间中的7-MPCSK和10-MPCSK星座结构。
步骤D：为进一步增大上述步骤C中提出的MPCSK星座结构中星座点之间的最小欧式距离(MED),向其中引入有限状态机(FSM)，以最大化MED为目标设定目标函数，基于目标函数给出基于中线划分的色移键控联合编码调制方案(MPCSK-JCM)的设计步骤。
上述步骤D的具体步骤是：
步骤D1：为引入有限状态机(FSM)，根据FSM的基本原理可知FSM编码后的最小欧氏距离的平方表示为：/>其中，/>表示并行MPCSK调制符号链路转换的MED的平方即一个符号子集内的星座点符号之间MED的平方；/>则表示两个特定MPCSK调制符号子集转换路径之间的MED的平方即不同子集之间MED的平方的两倍。
步骤D2:为了在最大化MED的条件下获得星座符号子集的划分和三维强度空间的MPCSK星座符号坐标，我们设定目标函数为表示任一二维强度平面上的MED的平方；
步骤D3：基于步骤D2中设定的目标函数，从7-MPCSK与10-MPCSK的星座符号集S中分别选出符号集S′，使得同时，必须确保同一强度平面中每个符号的选择概率相等；将符号集S′拆分为Q个子集{S′1,S′2,...,S′Q}且Q>1；
步骤D4：随后，将步骤D3重复Q次即可完成星座符号子集的划分；
步骤D5：在目标函数和感知色约束的条件下，为获得三维强度空间的MPCSK星座符号坐标，我们将坐标计算方法公式化如下：
其中，
步骤E：根据步骤D给出的MPCS-JCM方案设计步骤，具体设计7-MPCSK-JCM和10-MPCSK-JCM方案，分别给出它们的FSM结构、星座符号子集划分和具体的星座点坐标。
上述步骤E的具体步骤是：
步骤E1：针对网格编码结构的设计问题，在目标函数约束的条件下，利用三维MPCSK星座设计了具有Q个状态的有限状态机(FSM),其中dc,min＝dpar。且必须满足以下感知色约束：其中p(si)表示MPCSK传输的调制符号si,p(si)∈ΛM,M＝7,10的先验概率。
步骤E2：因此，根据步骤D编码设计规则与步骤E1的约束，首先设计7-MPCSK-JCM方案：由于数据传输码率为2比特/符号，选择图4中(a)所示的三维空间即7-MPCSK星座结构，依据步骤D2,首先考虑从集合中分出/>随后将/>划分成子集：/>和/>而符号集/>与/>的子集划分结果如表2所示；而最优的星座设计方案通过在三角形中线上移动符号坐标来获得，具体功率归一化后的星座点坐标如表3所示。
表2 三维强度空间的M-MPCSK星座符号子集，M∈{7,10}
表3功率归一化后三维强度空间的M-MPCSK星座坐标，M∈{7,10}
步骤E3：接下来，使用设计的三维强度空间中的7-MPCSK星座来构思7-MPCSK-JCM码的FSM；同样根据传输数据码率，设定FSM的Q＝3，因此7-MPCSK-JCM方案的FSM结构包括三个状态:ST1、ST2和ST3；具体设计时，以FSM的状态ST1为例：和/>分别表示的输出符号子集被从当前状态ST1分别转换到下一个状态ST1、ST2和ST3；根据步骤E1与步骤D中的设计规则，7-MPCSK-JCM码存在多个可能的FSM，但MED并没有改变，为考虑普遍性，以其中一个可能的FSM为例，作为7-MPCSK-JCM方案的FSM，如图5中的(a)所示，可以观察到该7-MPCSK-JCM方案的FSM结构在星座符号功率归一化后满足感知色约束，其传输符号的先验概率向量为：
步骤E4：使用与步骤E2和E3中设计7-MPCSK-JCM方案相同的方法，设计10-MPCSK-JCM方案，设计的FSM如图5中的(b)所示；由于传输数据的码率为3比特/符号，为其星座符号划分的子集如表2所示，计算的功率归一化后三维强度空间的10-MPCSK星座坐标如表3所示，传输符号的先验概率向量为：
步骤E5：最后根据步骤E1到E4设计的7-MPCSK-JCM和10-MPCSKJCM方案，将它们的的FSM每个状态上的星座符号分别映射到信息位上如表4和表5所示，完成设计。
表4 7-MPCSK-JCM方案的映射表
表5 10-MPCSK-JCM方案的映射表
为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，进一步对本方法的有效性和先进性予以说明。为评估所提出的MPCSK-JCM码的误码率(BER)性能，将其与其他已知的编码和未编码的CSK调制方案进行了比较。参与比较的CSK方案中，未编码的CSK方案最大似然解调，而编码的CSK方案则采用了软判决维特比译码进行解调。为了评估可靠性性能，定义归一化最小平方距离为分析参数。最小MED的平方由光功率归一化，其被描述为：
其中
表6列出了所提出的MPCSK-JCM方案的最小MED的平方和其他CSK方案的比较情况。
表6MPCSK-JCM方案的和其他CSK方案的比较情况/>
图6所示，将MPCSK-JCM码的归一化最小平方欧几里德距离与几个传统的CSK星座、CISK星座、SCSK星座和CSK-TCM方案进行了比较。从图6中清楚地表明了MPCSK-JCM码在不同传输数据码率下的优越性能。因此，可以确认本方法所提出的MPCSK-JCM方案是其所能达到的传输数据码率中能提供最大MED的最佳方案。
对于2比特/符号的传输数据码率，所提出的7-MPCSK-JCM方案与4-SCSK、6-CSK-TCM和4-CSK的BER性能比较如图7所示。从图7中观察到，在BER为10-5时，与4-SCSK、6-CSK-TCM方案和标准4-CSK码相比，提出的7-MPCSK-JCM方案分别实现了大约0.8、1.2和2.3dB的增益。
如图8所示，以3比特/符号的传输数据码率比较了所提出的10-MPCSK-JCM方案和标准的8-CSK、(4，2)-CISK、8-SCSK和10-CSK-TCM方案在VLC系统中的BER性能。在高信噪比下可以观察到，与标准的8-CSK、(4，2)-CISK、10-CSK-TCM和8-SCSK方案相比，所提出的10-MPCSK-JCM方案在BER为10-5时分别实现了3.0、2.3、2.2和1.8dB的增益。
采用上述方案后，本发明针对可见光通信中使用标准CSK调制时存在信号传输误码率高的问题，基于对称性星座设计原理，引入三角形中线划分的思想，在感知色约束下，在由CSK系统中的光强构成二维强度平面上提出基于三角形中线划分的CSK星座(MPCSK)设计方法；基于上述步骤提出的MPCSK星座设计方法，分别设计二维强度平面上的6-MPCSK与9-MPCSK的星座结构；设计MPCSK星座符号子集的划分准则，对二维强度平面的MPCSK星座符号进行子集划分后并将子集符号分别拓展到光强构成的三维强度空间中的不同强度平面上，得到多强度平面构成的MPCSK星座结构；为进一步增大上述步骤C中提出的MPCSK星座结构中星座点之间的最小欧式距离(MED),向其中引入有限状态机(FSM)，以最大化MED为目标设定目标函数，基于目标函数给出基于中线划分的色移键控联合编码调制方案(MPCSK-JCM)的设计步骤；根据步骤D给出的MPCS-JCM方案设计步骤，具体设计7-MPCSK-JCM和10-MPCSK-JCM方案，分别给出它们的FSM结构、星座符号子集划分和具体的星座点坐标。此种方法通过优化设计将二维强度平面中三角形平面的CSK星座拓展到三维强度空间中并引入FSM编码，可以显著地降低可见光通信的误码率。

Claims (1)

1.一种可见光通信中基于色移键控的联合编码调制方法，其特征在于：在对称性星座设计中引入三角形中线划分，在感知色约束条件下在由色移键控系统中的光强构成二维强度平面上提出基于三角形中线划分的色移键控星座MPCSK设计方法；利用色移键控星座MPCSK设计方法分别设计二维强度平面上的6-MPCSK与9-MPCSK的星座结构；设计MPCSK星座符号子集的划分准则，对二维强度平面的MPCSK星座符号进行子集划分后并将子集符号分别拓展到光强构成的三维强度空间中的不同强度平面上，得到多强度平面构成的MPCSK星座结构；引入有限状态机FSM增大MPCSK星座结构中星座点之间的最小欧式距离MED,以最大化MED为目标设定目标函数，基于目标函数给出基于中线划分的色移键控联合编码调制方案MPCSK-JCM的设计步骤；根据该MPCSK-JCM方案设计步骤设计7-MPCSK-JCM和10-MPCSK-JCM方案，最后利用7-MPCSK-JCM和10-MPCSK-JCM方案中7-MPCSK、10-MPCSK的FSM结构、星座符号子集划分和具体的星座点坐标信息，实现可见光通信中基于色移键控的联合编码调制方法；
使用发射端和接收端，发射端发送的信息比特经过联合编码调制以获得发送的符号，符号输出后使用数模转换器将其转换为LED驱动电流，驱动RGB LEDs以实现所需的颜色亮度，然后通过光信道；RGB LEDs中产生的光信号在光信道传输中会受到加性高斯白噪声的影响；在接收端处使用三个光电探测器接收来自光信道的信号，并在三个光电探测器之前配置三个滤光器，三个光电探测器将接收到的光信号转换为电流再由模数转换器ADC转换为数字值，然后通过联合解调解码进行处理，以输出发送的信息比特；
具体步骤如下：
步骤A：在对称性星座设计原理中引入三角形中线划分法来设计色移键控星座，利用感知色约束色移键控星座，在由色移键控系统中的光强构成二维强度平面的方法基础上获得基于三角形中线划分的色移键控星座MPCSK设计方法；
步骤B：利用基于三角形中线划分的色移键控星座MPCSK设计方法，分别设计二维强度平面上的6-MPCSK与9-MPCSK的色移键控星座结构；
步骤C：设计色移键控星座的星座符号子集的划分准则，对二维强度平面的色移键控星座符号划分子集，将子集中的符号分别拓展到光强构成的三维强度空间中的不同强度平面上，得到多强度平面构成的色移键控星座结构；
步骤D：通过向MPCSK中引入有限状态机FSM，以增大多强度平面构成的色移键控星座中星座点之间的最小欧式距离MED，以最大化MED为目标设定目标函数，通过目标函数更新基于中线划分的色移键控联合编码调制方案MPCSK-JC；
步骤E：根据基于中线划分的色移键控联合编码调制方案的设计步骤，具体设计7-MPCSK-JCM和10-MPCSK-JCM方案，获得两种设计方案的有限状态机FSM结构、星座符号子集划分和具体的星座点坐标，最后分别对7-MPCSK-JCM和10-MPCSK-JCM方案的星座符号进行信息位映射，完成可见光通信中基于色移键控的联合编码调制方法的设计；
步骤A具体内容如下：
步骤A1：通过将多个恒定强度的二维平面限制在三维强度空间中的非负空间中，从多个恒定强度的二维平面中任意选择一个恒定强度为1的二维平面，在该二维平面上设定一个质心为感知色约束强度为TC的平面等边三角形，平面等边三角形的三个顶点为星座点，三个顶点的符号分别为s1、s2和s3；
步骤A2：在步骤A1中定义的二维强度平面的等边三角形上绘制三条中线；三条中线的交点为质心TC；在中线上设置对称的星座坐标，并在感知色约束下确保每条中线上的星座符号的数量相等以保证星座结构的严格对称性，从而获得M-MPCSK星座符号的数量M，即M＝3K，K＝2，3：
步骤A3：M-MPCSK星座中，设星座中各点的集合S＝{s1，s2，s3，...，sM}，其中M＝3K，K＝2，3；使用下式计算si和sj之间的欧氏距离di，j：
计算sk与TC的欧氏距离dk，c：
其中/>
式中，si、sj、sk都属于星座各点集合S，si、sj表示集合中任两个不同的符号，sk表示集合中任一符号，dk，c表示星座集合中任一星座点与质心Tc的欧氏距离；
利用公式：计算MPCSK星座在二维强度平面上的最小欧式距离d2D，min；
步骤B具体内容如下：
步骤B1：在二维强度平面的等边三角形中画出它的三条中线，三条线相交于等边三角形的质心Tc，将等边三角形的三个顶点s1、s2和s3作为MPCSK的三个星座点，然后在三条中线上另外定义三个星座点s4、s5和s6，满足星座点s1到s4的欧式距离等于星座点s2到s5的欧式距离等于星座点s3到s6的欧式距离等于星座点s4到等边三角形的质心Tc的欧式距离：d1，4＝d2，5＝d3，6＝d4，c，从而得到二维强度平面上的6-MPCSK星座结构；
步骤B2：基于6-MPCSK星座设计9-MPCSK星座：进一步在三条中线与等边三角形的三条边的三个交点定义为三个星座点s7、s8和s9，并满足d7，c＝d8，c＝d9，c＝d4，c；
步骤C具体内容如下：
步骤C1：为了增大二维强度平面上的MPCSK星座的之间的MED，因此在将其拓展到三维强度空间的不同强度平面上时需要在感知色约束下严格依据对称性原则实施：首先将MPCSK星座点的符号集S划分为两个符号子集S1和S2；定义di，min为符号子集Si，i＝1，2的最小欧式距离，并确保每个符号子集的质心为TC，此时d1，min>d2，min，由此得到二维强度平面上的MPCSK星座符号子集的两个划分准则：
表示符号子集的光强需要等于Tc以需要满足感知色约束；
依照上述划分准则对6-MPCSK和9-MPCSK的星座符号子集进行划分；
步骤C2：过将划分好的两个符号子集分配给两个不同的强度平面，从而在三维强度空间中构造MPCSK星座；在6-MPCSK和9-MPCSK的符号子集中再分别添加一个星座符号子集S3，星座符号子集S3为二维强度平面等边三角形的质心TC，将两个添加的星座符号子集分别定义为{s7}和{S10}，由于6-MPCSK和9-MPCSK分别增加了一个星座点，因此生成7-MPCSK和10-MPCSK；
步骤C3：为了使发光功率尽可能地低，在7-MPCSK和10-MPCSK中需要将大MED的符号子集配置在低强度平面，将小MED的符号子集配置在高强度平面；设置Li为第i个强度平面的强度使得L1＜L2＜L3且i＝1，2，3；此外，符号子集S3被分配给每个M-MPCSK星座的最大强度平面；因此由多强度平面构成三维强度空间中的MPCSK星座中，每个强度平面的都能保证星座点感知色约束TC在相应平面的三角形质心上：其中/>且/>为常数；
步骤C4：最后根据步骤C3中的设计准则和方法，得到三维强度空间中的7-MPCSK和10-MPCSK星座结构；
步骤D具体内容如下：
步骤D1：向星座点之间的最小欧式距离MED引入有限状态机FSM，其中有限状态机FSM编码后的最小欧氏距离的平方式中，/>表示并行MPCSK调制符号链路转换的MED的平方，即一个符号子集内的星座点符号之间MED的平方；/>则表示两个特定MPCSK调制符号子集转换路径之间的MED的平方即不同子集之间MED的平方的两倍；
步骤D2：为了在最大化MED的条件下获得星座符号子集的划分和三维强度空间的MPCSK星座符号坐标，设定目标函数满足表示任一二维强度平面上的MED的平方；
步骤D3：利用目标函数从7-MPCSK与10-MPCSK的星座符号集S中分别选出符号集S′，使得|S′|＝2m，同时，必须确保同一强度平面中每个符号的选择概率相等；将符号集S′拆分为Q个子集{S′1，S′2，...，S′Q}且Q>1；
步骤D4：重复执行Q次步骤D3完成星座符号子集的划分；
步骤D5：在目标函数和感知色约束的条件下，利用下式获得三维强度空间的MPCSK星座符号坐标：
其中，表示在划分完的Q个子集中不同符号子集内星座点MED的平方应该相等；/>表示在划分完的Q个子集中任两个不同符号子集之间的星座点MED应该相等；
步骤E具体内容如下：
步骤E1：在目标函数约束的条件下，利用三维MPCSK星座设计具有Q个状态的有限状态机FSM，其中dc，min＝dpar，且满足感知色约束：其中p(si)表示MPCSK传输的调制符号si，p(si)∈AM，M＝7，10的先验概率；
步骤E2：利用色移键控联合编码调制方案MPCSK-JCM结合目标函数的约束条件设计7-MPCSK-JCM：数据传输码率为2比特/符号，首先从7-MPCSK的集合中分出/>随后将/>划分成三个子集：/>和/>符号集/>划分成三个子集：/>和/>划分成三个子集：/>和/>最优的星座设计方案通过在三角形中线上移动符号坐标来获得，并对星座点坐标具体功率归一化；
步骤E3：使用三维强度空间中的7-MPCSK星座来创建7-MPCSK-JCM码的FSM；同样根据传输数据码率，设定FSM的Q＝3，因此7-MPCSK-JCM方案的FSM结构包括三个状态：ST1、ST2和ST3；其中FSM的状态ST1：和/>分别表示的输出符号子集被从当前状态ST1分别转换到下一个状态ST1、ST2和ST3；根据步骤E1与步骤D中的设计规则，7-MPCSK-JCM码存在多个可能的FSM，但MED不改变，在多个可能的FSM中择一作为7-MPCSK-JCM方案的FSM，通过观察得到该7-MPCSK-JCM方案的FSM结构在星座符号功率归一化后满足感知色约束，其传输符号的先验概率向量为：/>
步骤E4：在7-MPCSK-JCM方案的基础上设计10-MPCSK-JCM方案；设传输数据的码率为3比特/符号，获取星座符号划分的子集，通过计算获得功率归一化后三维强度空间的10-MPCSK星座坐标，获得FSM的传输符号的先验概率向量为：
步骤E5：最后根据步骤E1-步骤E4设计的7-MPCSK-JCM和10-MPCSKJCM方案，将它们的FSM每个状态上的星座符号分别映射到信息位上，完成色移键控的星座设计。
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