CN115021825A - 基于白光约束的csk星座实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于白光约束的CSK星座实现方法，包括步骤：首先选择一个由三角划分得到的星座图，将所选择的星座图中星座点划分为不同集合；计算M‑MIP‑CSK的最小欧式距离，保持其中一个子集的星座点固定，根据这个子集中星座点的最小欧式距离，调整其余子集所在平面的强度大小，使同一平面上最小欧式距离等于不同平面间的最小欧式距离大小；选择一个MIP‑CSK星座图，使星座图达到白光约束条件；将星座图中的星座点重新划分为不同的集合，将所有的集合中的星座点进行功率归一化，得到每个星座点的具体坐标。本发明将星座图从二维平面拓展到三维空间中，充分利用了色彩空间，降低了几种传输码率下的可见光通信系统的误码率。

Description

基于白光约束的CSK星座实现方法

技术领域

本发明涉及CSK星座实现方法，尤其涉及一种基于白光约束的CSK星座实现方法。

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察觉的变化，潜在的对人类健康产生负面影响。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能降低可见光系统中的误码率的基于白光约束的 CSK星座实现方法。

技术方案：本发明的CSK星座实现方法，包括以下步骤：

步骤A，选择一个由三角划分得到的星座图，将所选择的星座图中星座点划分为不同集合；

步骤B，计算M-MIP-CSK的最小欧式距离，保持其中一个子集的星座点固定，根据这个子集中星座点的最小欧式距离，调整其余子集所在平面的强度大小，使同一平面上最小欧式距离等于不同平面间的最小欧式距离；

步骤C，选择一个MIP-CSK星座图，此时星座图的星座点K＜2ⁿ，通过增加星座点来使K＝2ⁿ，在增加星座点的过程中，增加一个距离质心T_C，确保星座图达到白光约束条件；

步骤D，将星座图中的星座点重新划分为集合S(α)，α∈(1,2,……θ)，其中用来满足白光约束条件的星座点单独分配到集合S(θ)中，将所有的集合中的星座点进行功率归一化，得到每个星座点的具体坐标。

进一步，所述步骤A的实现步骤如下：

步骤A1，按照距离质心T_C的距离，将6-CSK中星座点分为两个子集S(1)＝{s₁,s₂,s₃}和S(2)＝{s₄,s₅,s₆}；

步骤A2，10-CSK中星座点分为两个子集S(1)＝{s₁,s₂,s₃}和S(2)＝{s₄,s₅,s₆,s₇,s₈,s₉,s₁₀}；

步骤A3，15-CSK中星座点分四个子集为S(1)＝{s₁,s₂,s₃}、S(2)＝{s₇,s₈,s₉}、 S(3)＝{s₄,s₅,s₆,s₁₀,s₁₁,s₁₂}和S(4)＝{s₁₃,s₁₄,s₁₅}。

进一步，所述步骤B中，将划分的子集分配到不同的强度平面，根据星座子集内的最小欧式距离以及星座子集间的最小欧式距离，计算两个平面的大小关系。

进一步，所述步骤C的实现步骤如下：

步骤C1，对于3-CSK星座图，选择星座图的质心T_C为第四个星座点，在3-CSK星座图三个星座点为s₁、s₂和s₃，设置s₄＝T_C；

步骤C2，在6-MIP-CSK星座图中，删掉{s₄,s₅,s₆}中的随意一个点，把删掉的点记为s₀，然后在二维平面上添加两个符号s₇和s₈，确保s₇和s₈是关于点s₀对称，选择距离质心 T_C作为s₁₀；同时基于白光约束条件，将最后一个星座点s₁₀的位置进行挪动，确保增删之后的星座点总体满足白光约束；

步骤C3，选择距离质心T_C作为s₁₆，在15-MIP-CSK中不进行星座点的增删。

进一步，所述步骤D的实现步骤如下：

步骤D1，4-MIP-CSK包含两个强度大小分别为p₁和p₂的强度平面，根据两个强度的关系计算得到星座点的具体坐标；

步骤D2，8-MIP-CSK包含三个强度大小分别为p₁、p₂和p₃的强度平面，根据三个强度的关系计算得到星座点的具体坐标；

步骤D3，16-MIP-CSK包含三个强度大小分别为p₁、p₂和p₃的强度平面，根据三个强度的关系计算得到星座点的具体坐标。

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：

1、本发明在保证白光约束平衡的情况下，将星座图从二维平面拓展到三维空间中，充分利用了色彩空间，尽可能的充分利用了RGB空间的星座点，降低了几种传输码率下的可见光通信系统的误码率，提高了信息的可靠性；

2、与4-CSK设计相比，提出的4-MIP-CSK星座在误码率为10^-6数量级时有0.9dB的增益；

3、8-MIP-CSK在误码率为10^-6数量级时分别有0.8dB、1.2dB和1.8dB的性能增益，在传输速率为3bits/symbol时，8-MIP-CSK显示了优越的性能；

4、16-MIP-CSK在误码率为10^-6数量级时分别有1.2dB、1.2dB和3.4dB的性能增益，在传输速率为4bits/symbol时，16-MIP-CSK显示了优越的性能。

附图说明

图1是本发明基于白光约束的CSK星座设计方法的通信系统的流程图；

图2是本发明在星座选择和优化之前所使用三角划分图；

图3是本发明中选择和优化后的4-MIP-CSK星座图；

图4是本发明中选择和优化后的8-MIP-CSK星座图；

图5是本发明中选择和优化后的16-MIP-CSK星座图；

图6是本发明中将4-MIP-CSK星座与其他几种同码率星座方案误码率曲线对比图；

图7是本发明中将8-MIP-CSK星座与其他几种同码率星座方案误码率曲线对比图；

图8是本发明中将16-MIP-CSK星座与其他几种同码率星座方案误码率曲线对比图；

图9为6-MIP-CSK星座图设计过程示意图；

图10为10-MIP-CSK星座图设计过程示意图；

图11为16-MIP-CSK星座图设计过程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，本发明提出了一种基于白光约束的多强度平面色移键控星座技术(Multi-Intensity Planes color-shift keying简称MIP-CSK)，由此设计构成的通信系统包括以下步骤：

步骤S1：不同码率下通信系统选择不同的星点结构进行格雷映射，得到输入信号；

步骤S2：输入信号通过高斯白噪声信道，为了模拟可见光信号在传输过程中受到的干扰；

步骤S3：将干扰后的信号使用最大软判决译码方法进行译码，输出信源信息；

对于之前的星座点设计，可见光通信系统并不能充分利用RGB空间进行星座点的选取，从而信息的传输效果并不好，为了充分利用可见光通信系统中的RGB空间，使RGB空间能够得到充分的利用，提高通信系统中信息传输的可靠性，本发明的CSK星座实现方法，包括以下步骤：

步骤A：首先在图2中选择一个由三角划分得到的星座图，将所选择的星座图中星座点划分为不同集合。实现步骤如下：

步骤A1：按照距离质心T_C的距离，6-CSK中星座点分为两个子集S(1)＝{s₁,s₂,s₃}和 S(2)＝{s₄,s₅,s₆}，其中s_i，(i＝1,2......n)表示星座图上各个星座点；

步骤A2：10-CSK中星座点分为两个子集S(1)＝{s₁,s₂,s₃}和S(2)＝{s₄,s5,s₆,s₇,s₈,s₉,s₁₀}；

步骤A3：15-CSK进行划分集合为S(1)＝{s₁,s₂,s₃}、S(2)＝{s₇,s₈,s₉}、 S(3)＝{s₄,s₅,s₆,s₁₀,s₁₁,s₁₂}和S(4)＝{s₁₃,s₁₄,s₁₅}。

步骤B：计算M-MIP-CSK的最小欧式距离，保持其中一个子集的星座点固定，根据这个子集中星座点的最小欧式距离，调整其余子集所在平面的强度大小，使同一平面上最小欧式距离等于不同平面间的最小欧式距离大小，其中M＝6,10,16。实现过程如下：

将划分的子集分配到不同的强度平面，根据星座子集内的最小欧式距离以及星座子集间的最小欧式距离，计算两个平面的大小关系，分别得到6-MIP-CSK、10-MIP-CSK和16-MIP-CSK星座图分别为图9、图10和图11。

步骤C：选择一个MIP-CSK星座图，此时星座图的星座点K＜2ⁿ，通过增加星座点来使 K＝2ⁿ，在增加星座点的过程中，增加一个T_C或者靠近T_C的星座点，用来使星座图达到白光约束条件。实现步骤如下：

步骤C1：3-CSK星座图中有三个星座点，因此选择星座图的质心T_C为第四个星座点，在3-CSK星座图三个星座点为s₁、s₂和s₃，设置s₄＝T_C；

步骤C2：在6-MIP-CSK中把{s₄,s₅,s₆}中的随意一个点去掉，在此处删掉的点是s₆，此时我们把删掉的点记为s₀，然后在二维平面上添加两个符号s₇和s₈，因为星点的设计要满足白光约束条件，因此我们设置s₇和s₈是关于点s₀对称，选择T_C作为s₁₀，同时基于白光约束条件，将最后一个星座点s₁₀的位置进行挪动，使增删之后的星座点总体能够满足白光约束；

步骤C3：选择T_C作为s₁₆，在15-MIP-CSK中未进行星座点的增删。

步骤D：将星座图中的星座点重新划分为集合S(α)，α∈(1,2,……θ)，其中用来满足白光约束条件的星座点单独分配到集合S(θ)中，将所有的集合中的星座点进行功率归一化，得到每个星座点的具体坐标。利用上述中得到的星座图，设计相对应的M-MIP-CSK(M＝2ⁿ)，即通过之前的MIP-CSK星座图设计出一个外凸锥型的星座结构。实现步骤如下：

步骤D1：4-MIP-CSK包含两个强度平面，强度大小分别为p₁和p₂，根据两个强度的关系计算得到星座点的具体坐标，最终设计如图3所示；

步骤D2：8-MIP-CSK包含三个强度平面，强度大小分别为p₁、p₂和p₃，根据两个强度的关系计算得到星座点的具体坐标，最终设计如图4所示；

步骤D3：16-MIP-CSK包含三个强度平面，强度大小分别为p₁、p₂和p₃，根据两个强度的关系计算得到星座点的具体坐标，最终设计如图5所示。

根据本发明的测试结构，改进在可见光通信系统中的星座点设计，降低了误码率，提高了信息的可靠性。

本发明针对可见光通信的特点，通过对星座点的设计，从分利用了RGB颜色空间，改善了信息传输的误码率性能。

如图6所示，与4-SCSK设计相比，提出的4-MIP-CSK星座在误码率为10^-6时稍差。与4-CSK设计相比，提出的4-MIP-CSK星座在误码率为10^-6数量级时有大概0.9dB的增益。

如图7所示，8-MIP-CSK在误码率为10^-6数量级时分别有0.8dB、1.2dB和1.8dB的性能增益。在传输速率为3bits/symbol时，8-MIP-CSK显示了优越的性能。

如图8所示，16-MIP-CSK在误码率为10^-6数量级时分别有1.2dB、1.2dB和3.4dB的性能增益，在传输速率为4bits/symbol时，16-MIP-CSK显示了优越的性能。

以上内容是低码率传输方式时对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于白光约束的CSK星座实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，选择一个由三角划分得到的星座图，将所选择的星座图中星座点划分为不同集合；

步骤B，计算M-MIP-CSK的最小欧式距离，保持其中一个子集的星座点固定，根据这个子集中星座点的最小欧式距离，调整其余子集所在平面的强度大小，使同一平面上最小欧式距离等于不同平面间的最小欧式距离；

步骤C，选择一个MIP-CSK星座图，此时星座图的星座点K＜2ⁿ，通过增加星座点来使K＝2ⁿ，在增加星座点的过程中，增加一个距离质心T_C，确保星座图达到白光约束条件；

步骤D，将星座图中的星座点重新划分为集合S(α)，α∈(1,2,……θ)，其中用来满足白光约束条件的星座点单独分配到集合S(θ)中，将所有的集合中的星座点进行功率归一化，得到每个星座点的具体坐标。

2.根据权利要求1所述的基于白光约束的CSK星座实现方法，其特征在于，所述步骤A的实现步骤如下：

步骤A1，按照距离质心T_C的距离，将6-CSK中星座点分为两个子集S(1)＝{s₁,s₂,s₃}和S(2)＝{s₄,s₅,s₆}；

步骤A2，10-CSK中星座点分为两个子集S(1)＝{s₁,s₂,s₃}和S(2)＝{s₄,s₅,s₆,s₇,s₈,s₉,s₁₀}；

步骤A3，15-CSK中星座点分四个子集为S(1)＝{s₁,s₂,s₃}、S(2)＝{s₇,s₈,s₉}、S(3)＝{s₄,s₅,s₆,s₁₀,s₁₁,s₁₂}和S(4)＝{s₁₃,s₁₄,s₁₅}。

3.根据权利要求1所述的基于白光约束的CSK星座实现方法，其特征在于，所述步骤B中，将划分的子集分配到不同的强度平面，根据星座子集内的最小欧式距离以及星座子集间的最小欧式距离，计算两个平面的大小关系。

4.根据权利要求1所述的基于白光约束的CSK星座实现方法，其特征在于，所述步骤C的实现步骤如下：

步骤C1，对于3-CSK星座图，选择星座图的质心T_C为第四个星座点，在3-CSK星座图三个星座点为s₁、s₂和s₃，设置s₄＝T_C；

步骤C2，在6-MIP-CSK星座图中，删掉{s₄,s₅,s₆}中的随意一个点，把删掉的点记为s₀，然后在二维平面上添加两个符号s₇和s₈，确保s₇和s₈是关于点s₀对称，选择距离质心T_C作为s₁₀；同时基于白光约束条件，将最后一个星座点s₁₀的位置进行挪动，确保增删之后的星座点总体满足白光约束；

步骤C3，选择距离质心T_C作为s₁₆，在15-MIP-CSK中不进行星座点的增删。

5.根据权利要求1所述的基于白光约束的CSK星座实现方法，其特征在于，所述步骤D的实现步骤如下：

步骤D1，4-MIP-CSK包含两个强度大小分别为p₁和p₂的强度平面，根据两个强度的关系计算得到星座点的具体坐标；

步骤D2，8-MIP-CSK包含三个强度大小分别为p₁、p₂和p₃的强度平面，根据三个强度的关系计算得到星座点的具体坐标；

步骤D3，16-MIP-CSK包含三个强度大小分别为p₁、p₂和p₃的强度平面，根据三个强度的关系计算得到星座点的具体坐标。

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