CN115021824A - 一种多强度平面星座的有限状态机编码方法 - Google Patents

一种多强度平面星座的有限状态机编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多强度平面星座的有限状态机编码方法，该方法将一种多强度平面星座设计方案与有限状态机相结合，将星座点划分到不同集合，基于目标颜色约束，设计不同码率下高性能增益的色移键控调制编码方案；然后，将有限状态机中每一个状态分割为两个子状态，重新设计有限状态机的状态转移图，并且将所设计的编码方案应用到平面星座中进行仿真。本发明方法通过设计编码方案设计和拆分状态的方式，提高可见光信号的传输可靠性。

Description

一种多强度平面星座的有限状态机编码方法
技术领域
本发明涉及一种多强度平面星座的有限状态机编码方法，属于状态机编码技术领域。
背景技术
可见光通信是短程光学无线通信的替代方案，它使用的是380-780纳米之间的可见光光谱的发光二极管进行数据的传输，同时提供照明，可见光通常被使用在室内，因为它分担了现有的几种通信模式使用的射频频谱的压力。
在可见光通信中，发光二极管被用来传输数据，因为它们足够节能，并且允许相当快的光信号调制。
在光信道的传输过程中，会有一些噪声信号对光信号进行干扰，这样对进行后续的强度检测和直接检测值会有一定的影响，从而产生误码，在之前也有在二维星座图上选取星座点开展有限状态机编码设计，但是此种编码方案所使用的星座图上星座点间的欧氏距离较小，并且所设计的有限状态机较为简单，误码率较差。
在可见光通信系统中，如果没有合适的设计，调制可能会在光线中产生不可察觉或者可以查觉到的变化，潜在的对人类健康产生负面影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种多强度平面星座的有限状态机编码方法，降低了可见光系统的误码率，提高可见光通信中的误码性能。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种多强度平面星座的有限状态机编码方法，包括如下步骤：
步骤1，获取多强度平面色移键控星座图，根据星座图中的冗余星座确定有限状态机中状态的数量；
步骤2，基于白光约束条件，每个状态选取2n数量的星座点，得到每个状态对应的星座点集合，n为大于等于2的正整数，其中，星座点的选取规则是优先选取低功率的星座点；
步骤3，设计有限状态机的状态转移图，在有限状态机运行时，一个状态转移两次又回到该状态本身的过载中，定义两次状态转移出现的星座点间欧式距离的集合分别为dopt,1和dopt,2，则编码后的最小欧式距离dfsm,min由dopt,1和dopt,2决定；
步骤4，根据步骤3设计的状态转移图，得到星座图上各星座点在每个状态出现的概率即概率矩阵，根据概率矩阵得到各星座点出现的概率，根据各星座点出现的概率对星座点的强度大小进行归一化，从而得到各星座点的符号坐标；
步骤5，将步骤3中有限状态机中的每一个状态分解优化为两个子状态，按照步骤3相同的方法，将子状态重新设计为有限状态机。
作为本发明的一种优选方案，步骤1所述多强度平面色移键控星座图是通过将三角划分图中的星座点划分到不同的强度面，使不同强度面上星座点间的欧式距离相等所得到的。
作为本发明的一种优选方案，步骤1所述根据星座图的冗余星座确定有限状态机中状态的数量，具体为：将星座图中冗余星座的数量加1即为有限状态机中状态的数量。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤2中，当多强度平面色移键控星座图为6-MIP-CSK星座图时，星座图有6个星座点，即{s1,s2,s3,s4,s5,s6}，其中s1,s2,s3为三角划分图的三个顶点，且s1,s2,s3的功率相同，s4,s5,s6的功率相同，s1的功率小于s4的功率，传输速率为2bits/symbol情况下，每个状态都选取22个星座点，星座图中冗余星座的数量为2，基于白光约束条件，有限状态机中3个状态选取的星座点集合分别为：S(1)＝{s1,s2,s3,s4}、S(2)＝{s1,s2,s3,s5}、S(3)＝{s1,s2,s3,s6}，集合S(1)、S(2)和S(3)各自对应所在的状态依次为ST1、ST2和ST3；
当多强度平面色移键控星座图为10-MIP-CSK星座图时，星座图有10个星座点，即{s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8,s9,s10}，其中s1,s2,s3为三角划分图的三个顶点，且s1,s2,s3的功率相同，s4,s5,s6,s7,s8,s9,s10的功率相同，s1的功率小于s4的功率，传输速率为3bits/symbol情况下，每个状态都选取23个星座点，星座图中冗余星座的数量为2，基于白光约束条件，有限状态机中3个状态选取的星座点集合分别为：S(1)＝{s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s10}、S(2)＝{s1,s2,s3,s4,s5,s6,s8,s10}、S(3)＝{s1,s2,s3,s4,s5,s6,s9,s10}，集合S(1)、S(2)和S(3)各自对应所在的状态依次为ST1、ST2和ST3。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤3中，编码后的最小欧式距离dfsm,min为集合dopt,1中的最小欧式距离与集合dopt,2中的最小欧式距离的相加和。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤4中，对于6-MIP-CSK星座图，其概率矩阵Λ如下所示：
Figure BDA0003623574420000031
其中，矩阵的三行依次对应有限状态机的三个状态，六列依次对应s1,s2,s3,s4,s5,s6中各星座点在每个状态出现的概率；
根据概率矩阵Λ得到星座点出现的概率
Figure BDA0003623574420000032
根据各星座点出现的概率对星座点的强度大小进行归一化，从而得到各星座点的符号坐标依次为(0,0.6978,0)、(0.6978,0,0)、(0,0,0.6978)、(0.9532,0,0.9532)、(0,0.9532,0.9532)、(0.9532,0.9532,0)；
对于10-MIP-CSK星座图，其概率矩阵Λ如下所示：
Figure BDA0003623574420000033
其中，矩阵的三行依次对应有限状态机的三个状态，十列依次对应s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8,s9,s10中各星座点在每个状态出现的概率；
根据概率矩阵Λ得到星座点出现的概率
Figure BDA0003623574420000041
根据各星座点出现的概率对星座点的强度大小进行归一化，从而得到各星座点的符号坐标依次为(0.4444,0,0)、(0,0.4444,0)、(0,0,0.4444)、(0,0.4444,0.8889)、(0.8889,0,0.4444)、(0.4444,0.8889,0)、(0,0.8889,0.4444)、(0.4444,0,0.8889)、(0.8889,0.4444,0)、(0.4444,0.4444,0.4444)。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明将一种多强度平面星座设计方案与有限状态机相结合，将星座点划分到不同集合，基于目标颜色约束，设计不同码率下高性能增益的色移键控调制编码方案；然后，将有限状态机中每一个状态分割为两个子状态，重新设计有限状态机的状态转移图，并且将所设计的编码方案应用到平面星座中进行仿真。通过设计编码方案设计和拆分状态的方式，提高可见光信号的传输可靠性。
附图说明
图1是本发明一种多强度平面星座的有限状态机编码方法的流程图；
图2是本发明实施例的三角划分图，其中，(a)是6-MIP-CSK星座图对应的三角划分图，(b)是10-MIP-CSK星座图对应的三角划分图；
图3是本发明实施例的6-MIP-CSK星座图；
图4是本发明实施例的10-MIP-CSK星座图；
图5是本发明实施例的6-MIP-CSK-FSM编码状态转移图；
图6是本发明实施例的10-MIP-CSK-FSM编码状态转移图；
图7是本发明实施例的一个状态分解优化为两个子状态图；
图8是本发明实施例的6状态下6-MIP-CSK-FSM编码状态转移图；
图9是本发明实施例的10状态下10-MIP-CSK-FSM编码状态转移图；
图10是本发明实施例的2bits/symbol的编码方案BER曲线；
图11是本发明实施例的3bits/symbol的编码方案BER曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，为本发明提出的一种多强度平面星座的有限状态机编码方法的流程图，具体步骤如下：
步骤1，获取MIP-CSK(Multi-Intensity Planes color-shift keying，多强度平面色移键控)星座图，根据冗余星座确定有限状态机中状态的数量，其中6-MIP-CSK和10-MIP-CSK的星座图分别如图3和图4所示，星座图的设计是将三角划分图(图2中的(a)、(b))中的星座点划分到不同的强度面，使不同强度上星座点间的欧氏距离相等。
步骤2，基于白光约束条件，每个状态选取2n数量的星座点，选取规则是优先选取低功率的星座点，这样可以降低有限状态机中的平均功率；
对于6-MIP-CSK-FSM，传输速率为2bits/symbol情况下，在每个集合中都有4个星座点，6-MIP-CSK有额外的两个星座点，因此共划分为三个集合S(1)＝{s1,s2,s3,s4}，S(2)＝{s1,s2,s3,s5}，S(3)＝{s1,s2,s3,s6}，每个集合所在状态为STi(i＝1,2,3)；
对于10-MIP-CSK-FSM，传输速率为3bits/symbol情况下，在每个集合中都有8个星座点，10-MIP-CSK有额外的两个星座点，因此共划分为三个集合S(1)＝{s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s10}，S(2)＝{s1,s2,s3,s4,s5,s6,s8,s10}，S(3)＝{s1,s2,s3,s4,s5,s6,s9,s10}，每个集合所在状态为STi(i＝1,2,3)。
步骤3，设计有限状态机的状态转移图，假设星座图中星座点间的最小欧式距离为dopt,min，在有限状态机运行过程中，一个状态转移两次又回到相同状态的过程中，两次状态转移会出现两次星座点间欧氏距离，定义为dopt,1和dopt,2，而编码后的最小欧氏距离dfsm,min由dopt,1和dopt,2决定；6-MIP-CSK-FSM和10-MIP-CSK-FSM的状态转移图分别如图5和图6所示。
步骤4，编码使得星座图中星座点出现的概率不同，所以根据星座点出现的概率，重新对星座的强度大小进行归一化处理；
对于6-MIP-CSK-FSM，它的概率矩阵Λ如下所示：
Figure BDA0003623574420000061
其中矩阵的三行对应有限状态机的三个状态，六列分别对应{s1,s2,s3,s4,s5,s6}中六个星座点出现的概率，根据矩阵Λ得到：
Figure BDA0003623574420000062
根据Y对星座的强度大小进行归一化，最后得到星座点坐标以及对应二进制码组如表1所示：
表1
星座符号 6-MIP-CSK-FSM星座符号坐标 二进制码组
s<sub>1</sub> (0,0.6978,0) 01
s<sub>2</sub> (0.6978,0,0) 01
s<sub>3</sub> (0,0,0.6978) 01
s<sub>4</sub> (0.9532,0,0.9532) 00
s<sub>5</sub> (0,0.9532,0.9532) 11
s<sub>6</sub> (0.9532,0.9532,0) 10
对于10-MIP-CSK-FSM，它的概率矩阵Λ如下所示：
Figure BDA0003623574420000063
其中矩阵的三行对应有限状态机的三个状态，十列分别对应{s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8,s9,s10}中十个星座点出现的概率，根据矩阵Λ得到：
Figure BDA0003623574420000064
根据Y对星座的强度大小进行归一化，最后得到星座点坐标以及对应二进制码组如表2所示：
表2
星座符号 10-MIP-CSK-FSM星座符号坐标 二进制码组
s<sub>1</sub> (0.4444,0,0) 110
s<sub>2</sub> (0,0.4444,0) 101
s<sub>3</sub> (0,0,0.4444) 100
s<sub>4</sub> (0,0.4444,0.8889) 000
s<sub>5</sub> (0.8889,0,0.4444) 000
s<sub>6</sub> (0.4444,0.8889,0) 000
s<sub>7</sub> (0,0.8889,0.4444) 001
s<sub>8</sub> (0.4444,0,0.8889) 010
s<sub>9</sub> (0.8889,0.4444,0) 011
s<sub>10</sub> (0.4444,0.4444,0.4444) 111
步骤5，将步骤三中有限状态机中的每一个状态分解优化为两个子状态，将子状态重新设计为有限状态机，有限状态机中每一个状态都有对应的路径来进入，同时也会有路径离开这一状态，对于每一状态我们都可以分割为两个子状态，如图7所示，是将状态ST1分割成为ST1'和ST1”两个子状态；
将子状态重新设计为有限状态机，其中6状态下6-MIP-CSK-FSM和10状态下10-MIP-CSK-FSM的状态转移图分别如图8和图9所示。
图10和图11分别为2bits/symbol、3bits/symbol的编码方案BER曲线，其中MIP-CSK-FSM是使用MIP-CSK星座仿真，CSK-TCM和CIP-CSK-FSM是在对应的二维星座(图2)进行仿真的结果。
图10中将6-MIP-CSK-FSM、六状态6-CIP-CSK-FSM、六状态6-MIP-CSK-FSM与常规的6-CSK-TCM进行比较，可以看出，与6-CSK-TCM方案相比，六状态6-CIP-CSK-FSM、6-MIP-CSK-FSM、六状态6-MIP-CSK-FSM三种方案在误码率为10-5数量级时分别有0.5dB、2.4dB和3.3dB的增益。
图11中的六状态10-CIP-CSK-FSM、10-MIP-CSK-FSM、十状态10-MIP-CSK-FSM三种方案在误码率为10-5数量级时分别有1.4dB、2.2dB和3.0dB的增益。
本发明针对可见光通信的特点，将一种多强度平面星座设计方案与有限状态机相结合，将星座点划分到不同集合，基于目标颜色约束，设计不同码率下高性能增益的色移键控调制编码方案；然后，将有限状态机中每一个状态分割为两个子状态，重新设计有限状态机的状态转移图，并且将所设计的编码方案应用到平面星座中进行仿真。此种方法通过设计编码方案设计和拆分状态的方式，提高可见光信号的传输可靠性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多强度平面星座的有限状态机编码方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，获取多强度平面色移键控星座图，根据星座图中的冗余星座确定有限状态机中状态的数量；
步骤2，基于白光约束条件，每个状态选取2n数量的星座点，得到每个状态对应的星座点集合，n为大于等于2的正整数，其中，星座点的选取规则是优先选取低功率的星座点；
步骤3，设计有限状态机的状态转移图，在有限状态机运行时，一个状态转移两次又回到该状态本身的过载中，定义两次状态转移出现的星座点间欧式距离的集合分别为dopt,1和dopt,2，则编码后的最小欧式距离dfsm,min由dopt,1和dopt,2决定；
步骤4，根据步骤3设计的状态转移图，得到星座图上各星座点在每个状态出现的概率即概率矩阵，根据概率矩阵得到各星座点出现的概率，根据各星座点出现的概率对星座点的强度大小进行归一化，从而得到各星座点的符号坐标；
步骤5，将步骤3中有限状态机中的每一个状态分解优化为两个子状态，按照步骤3相同的方法，将子状态重新设计为有限状态机。
2.根据权利要求1所述的多强度平面星座的有限状态机编码方法，其特征在于，步骤1所述多强度平面色移键控星座图是通过将三角划分图中的星座点划分到不同的强度面，使不同强度面上星座点间的欧式距离相等所得到的。
3.根据权利要求2所述的多强度平面星座的有限状态机编码方法，其特征在于，步骤1所述根据星座图的冗余星座确定有限状态机中状态的数量，具体为：将星座图中冗余星座的数量加1即为有限状态机中状态的数量。
4.根据权利要求3所述的多强度平面星座的有限状态机编码方法，其特征在于，所述步骤2中，当多强度平面色移键控星座图为6-MIP-CSK星座图时，星座图有6个星座点，即{s1,s2,s3,s4,s5,s6}，其中s1,s2,s3为三角划分图的三个顶点，且s1,s2,s3的功率相同，s4,s5,s6的功率相同，s1的功率小于s4的功率，传输速率为2bits/symbol情况下，每个状态都选取22个星座点，星座图中冗余星座的数量为2，基于白光约束条件，有限状态机中3个状态选取的星座点集合分别为：S(1)＝{s1,s2,s3,s4}、S(2)＝{s1,s2,s3,s5}、S(3)＝{s1,s2,s3,s6}，集合S(1)、S(2)和S(3)各自对应所在的状态依次为ST1、ST2和ST3；
当多强度平面色移键控星座图为10-MIP-CSK星座图时，星座图有10个星座点，即{s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8,s9,s10}，其中s1,s2,s3为三角划分图的三个顶点，且s1,s2,s3的功率相同，s4,s5,s6,s7,s8,s9,s10的功率相同，s1的功率小于s4的功率，传输速率为3bits/symbol情况下，每个状态都选取23个星座点，星座图中冗余星座的数量为2，基于白光约束条件，有限状态机中3个状态选取的星座点集合分别为：S(1)＝{s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s10}、S(2)＝{s1,s2,s3,s4,s5,s6,s8,s10}、S(3)＝{s1,s2,s3,s4,s5,s6,s9,s10}，集合S(1)、S(2)和S(3)各自对应所在的状态依次为ST1、ST2和ST3。
5.根据权利要求4所述的多强度平面星座的有限状态机编码方法，其特征在于，所述步骤3中，编码后的最小欧式距离dfsm,min为集合dopt,1中的最小欧式距离与集合dopt,2中的最小欧式距离的相加和。
6.根据权利要求5所述的多强度平面星座的有限状态机编码方法，其特征在于，所述步骤4中，对于6-MIP-CSK星座图，其概率矩阵Λ如下所示：
Figure FDA0003623574410000021
其中，矩阵的三行依次对应有限状态机的三个状态，六列依次对应s1,s2,s3,s4,s5,s6中各星座点在每个状态出现的概率；
根据概率矩阵Λ得到星座点出现的概率
Figure FDA0003623574410000022
根据各星座点出现的概率对星座点的强度大小进行归一化，从而得到各星座点的符号坐标依次为(0,0.6978,0)、(0.6978,0,0)、(0,0,0.6978)、(0.9532,0,0.9532)、(0,0.9532,0.9532)、(0.9532,0.9532,0)；
对于10-MIP-CSK星座图，其概率矩阵Λ如下所示：
Figure FDA0003623574410000031
其中，矩阵的三行依次对应有限状态机的三个状态，十列依次对应s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8,s9,s10中各星座点在每个状态出现的概率；
根据概率矩阵Λ得到星座点出现的概率
Figure FDA0003623574410000032
根据各星座点出现的概率对星座点的强度大小进行归一化，从而得到各星座点的符号坐标依次为(0.4444,0,0)、(0,0.4444,0)、(0,0,0.4444)、(0,0.4444,0.8889)、(0.8889,0,0.4444)、(0.4444,0.8889,0)、(0,0.8889,0.4444)、(0.4444,0,0.8889)、(0.8889,0.4444,0)、(0.4444,0.4444,0.4444)。
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