颜色键控与OFDM联合调制可见光通信系统的星座图设计方法与流程

本发明面向可见光通信领域，提出了一种用于颜色键控(csk)和正交频分复用(ofdm)联合调制的可见光通信(vlc)系统的新型星座图设计方法。
背景技术：
：近年来，可见光通信(vlc)由于其有效拓宽频谱资源、绿色节能、保密性高等众多优点而得到了广泛研究[1]。在vlc系统中，颜色键控(csk)是常用的一种调制技术。基于csk调制方式的vlc系统具有较高的调制带宽，进而可以实现高速信号传输[2]。现有的关于csk的研究一般从两方面进行开展。一方面，从对csk调制方案的优化设计的角度，既可利用内点法[3]或球形算法[4]，在颜色平衡的约束下对csk星座图进行优化设计；也可采用基于四色灯(qled)[5]的csk调制方案，提升系统传输的可靠性。另一方面，可以考虑将csk与其他调制方式进行结合设计。例如，可结合脉冲位置调制(ppm)进行设计，形成更为高效的调制方案[6]。考虑到正交频分复用(ofdm)有效对抗符号间干扰(isi)的特点，现已有文献[7]将csk与ofdm技术结合起来，进而形成更高速率传输的csk-ofdm系统。然而，这种将csk与ofdm简单结合的系统，会存在两个明显缺点。第一，在csk-ofdm系统中，hermitian变换已经能够保证ifft之后信号的实数性质，而现有方案仍然采用实数信号类型的csk方案，这使得复数空间的自由度没有得到充分利用。第二，由于信号经过逆傅里叶变换(ifft)之后将被重新打乱，这使得其对应的颜色平衡将会有所偏移，即现有的csk-ofdm没有考虑ifft操作对信号产生的干扰，使得最终传输信号呈现的颜色与设定的颜色平衡会存在差别。针对现有csk-ofdm方案的不足，本发明提出了用于csk-ofdm联合调制vlc系统的一种新型的星座图设计方法。经过该方法设计的新型星座图具有以下两个显著优点：其一，克服了光正交频分复用(oofdm)调制过程所引起的颜色偏移现象；其二，在满足颜色平衡的约束条件下，提供了最优的最小欧氏距离(med)，进而提高系统的误码率性能。技术实现要素：本发明提供的新型星座图设计方法可用于多种常见的oofdm方案，如非对称限幅光-正交频分复用(aco-ofdm)、直流偏置光-正交频分复用(dco-ofdm)等。一般情况下，csk信号经过oofdm处理后，光信号原有的csk颜色平衡会被破坏。如使用本发明优化设计的新型csk星座图，其经过oofdm处理后仍能保持既定的颜色平衡，同时还可获得较大的误码率性能增益。为实现以上发明目的，采用的技术方案是：颜色键控与ofdm联合调制可见光通信系统的星座图设计方法，包括以下步骤：s1.对于m点的ccsk星座图，可以用一个(3×m)维的复数矩阵表示为：其中m表示星座图包含的星座点数量，su＝[su,r,su,g,su,b]t为星座图上第u个星座点，其中su,r、su,g与su,b均为复数，(·)t则表示转置操作，即星座点集合s是一个(3×m)维的复数矩阵；s2.定义(3×2m)维的中间星座图变量使得中第2i-1个和第2i个列向量分别对应于s中的第i个列向量的实数部分及虚数部分，即：其中第u个符号表示为而re(·)和im(·)则分别表示取实部和取虚部操作；s3.记(n×n)维的单位矩阵为ccsk星座图中第i个和第j个星座点符号的差值可以表示为：其中uij定义为ui和uj则分别表示中的第i个和第j个列向量，而(6m×1)维列向量则为待优化向量，定义为优化目标是使得星座图s在满足相关约束的情况下，其对应的归一化最小欧氏距离dmin最大化，即有：其中s4.对于任意的c路信号，c∈{r,g,b}，根据中心极限定理，截断时域信号xc,cl(t)的概率密度函数为：其中为单位阶梯函数，而δ(w)则为狄拉克δ函数，表示为且σc表示非截断信号xc(t)的标准差，导出：其中系数用来表征偶数载波不携带信息而引起的ifft后时域信号能量减半的特征；因此，基于式(5)，时域信号xc,cl(t)的平均光功率为：s5.假设目标光强为ptar，预先设定的颜色平衡为cavg＝[cavg,r,cavg,g,cavg,b]t，其中cavg,c为对应颜色光强所占比例且∑c∈{r,g,b}cavg,c＝1；因而，为了使得经过oofdm后的信号满足目标颜色平衡时，有：故有即说明了当中三路子信号的能量均等于相应颜色目标光强平方的2π倍时，其对应的ccsk星座图在经过aco-ofdm操作后能达到所设定的颜色平衡；因而结合颜色平衡约束后，式(4)中定义的目标函数可以进一步更新为：其中cavg(i,1)表示cavg中第i个元素；此外，定义其中ui表示中的第i个列向量；注意到上述距离约束(9.2)和颜色约束(9.3)均是非凸的；为了能把(9.1)、(9.2)、(9.3)中描述的问题转化为凸优化问题，针对两个约束条件分别采取了近似表达以及扩展可行域的方法；具体来说，针对距离约束(9.2)，假设给定一个初始可行解可以利用泰勒展开公式，在点处做一阶线性近似，把非凸的约束条件近似转化为凸优化问题，即：其中且1≤i＜j≤m；另一方面，对于颜色约束(9.3)，对其补充可行域ψi＜0，使其转变为一个凸集，即ψi≤0；注意到，通过证明得出，即使扩充了可行域，此问题中的最优值仍在已扩充可行域ψi≤0的边界取得，即在ψi＝0时取得；补充可行域只是为了使其转化为一个凸集，以便于问题的求解，但并不会影响最终最优值的获取；故通过上述两个操作，只要给定初始可行解(9)中定义的优化问题可以进一步转化为凸优化问题：因而，只要给定初值(11)中定义的优化问题则可以利用cvx工具箱进行求解；在优化过程中，每次cvx优化过程得到的解将会作为下次迭代优化的初值，直至算法收敛或达到最大迭代次数，进而获得优化得到的相应的局部最优值。优选地，所述初值的选取方法如下：s11.随机生成(3×2m)维的实数矩阵q＝[q1,q2,…,q2m]，而qp＝[qp,r,qp,g,qp,b]t，其中1≤p≤2m；定义qc∈{q1,c,q2,c,…,q2m,c}，其中c∈{r,g,b}；s12.生成缩放矩阵λ＝diag{[αr,αg,αb]}，其中有s13.缩放q，使得q＝λq；s14.构造初始可行解附图说明图1：基于优化的新型星座图的ccsk-ofdm系统示意图。图2：ccsk-ofdm星座图优化设计的流程图。图3：ser性能对比图。图4：经过oofdm操作后的颜色平衡对比图。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；以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。实施例1为便于描述，本实施例将以aco-ofdm为例，阐述本发明所提出的新型csk星座图的设计及使用过程。为简便起见，下文所涉及的“星座图”均指“csk星座图”。图1给出了新型星座图用于ccsk-ofdm系统的示意图。如图1所示，比特信息首先通过ccsk星座图映射为复数符号，之后所得信号便分为独立的三路进入aco-ofdm模块，其中三路信号可以简称为红(r)、绿(g)、蓝(b)子信号。对于任意的c(c∈{r,g,b})路信号而言，经过hermitian对称的频域符号xc首先经ifft转变成时域符号xc。连续多个时域符号xc经过并串转换之后，形成了连续的时域符号序列，记作xc,cl。此外，为了生成适合在光强调制/直接检测(im/dd)系统中传输的信号，时域序列xc将会通过非对称限幅操作削去负极性波形，进而形成非负实数时域信号序列xc,cl。非负实数时域信号将通过相应的led在vlc信道中传输，其中第kc个子载波所对应的信道增益矩阵可表示为在接收端，光信号通过相应的光电二极管转化为电信号，并通过相应的oofdm接收操作，最后进行最大似然解调，从而得到对应的比特信息。对于m点的ccsk星座图，可以表示用一个(3×m)维的复数矩阵为：其中m表示星座图包含的星座点数量，su＝[su,r,su,g,su,b]t为星座图上第u个星座点，其中su,r、su,g与su,b均为复数，(·)t则表示转置操作，即星座点集合s是一个(3×m)维的复数矩阵。为便于操作，可定义(3×2m)维的中间星座图变量使得中第2i-1个和第2i个列向量分别对应于s中的第i个列向量的实数部分及虚数部分，即：其中第u(1≤u≤2m)个符号可以表示为而re(·)和im(·)则分别表示取实部和取虚部操作。记(n×n)维的单位矩阵为根据文献[8]，ccsk星座图中第i个和第j个星座点符号的差值可以表示为：其中uij定义为ui和uj则分别表示中的第i个和第j个列向量，而(6m×1)维列向量s则为待优化向量，定义为优化目标是使得星座图s在满足相关约束的情况下，其对应的归一化最小欧氏距离dmin最大化，即有：其中此外，为了消除颜色平衡的偏移，本专利设计了一种适用于csk-ofdm系统的颜色平衡约束。注意到，在图1所示系统中，rgb子信号是分别在三个独立的oofdm模块中传输的。对于任意的c路信号(c∈{r,g,b})，根据中心极限定理，截断时域信号xc,cl(t)的概率密度函数为[9]：其中为单位阶梯函数，而δ(w)则为狄拉克δ函数，可以表示为且此外，σc表示非截断信号xc(t)的标准差，可以导出：其中系数用来表征偶数载波不携带信息而引起的ifft后时域信号能量减半的特征。因此，基于式(5)，时域信号xc,cl(t)的平均光功率为：假设目标光强为ptar，预先设定的颜色平衡为cavg＝[cavg,r,cavg,g,cavg,b]t，其中cavg,c(c∈{r,g,b})为对应颜色光强所占比例且∑c∈{r,g,b}cavg,c＝1。因而，为了使得经过oofdm后的信号满足目标颜色平衡时，有：故有即说明了当中三路子信号的能量均等于相应颜色目标光强平方的2π倍时，其对应的ccsk星座图在经过aco-ofdm操作后能达到所设定的颜色平衡。因而结合颜色平衡约束后，式(4)中定义的目标函数可以进一步更新为：其中cavg(i,1)表示cavg中第i个元素；此外，定义其中ui表示中的第i个列向量。注意到上述距离约束(9.2)和颜色约束(9.3)均是非凸的。为了能把(9)中描述的问题转化为凸优化问题，本专利针对两个约束条件分别采取了近似表达以及扩展可行域的方法。具体来说，针对距离约束(9.2)，假设给定一个初始可行解本发明可以利用泰勒展开公式，在点处做一阶线性近似，把非凸的约束条件近似转化为凸优化问题[8]，即：其中且1≤i＜j≤m。另一方面，对于颜色约束(9.3)，本发明对其补充可行域ψi＜0，使其转变为一个凸集，即ψi≤0。注意到，本发明很容易通过证明得出，即使扩充了可行域，此问题中的最优值仍在已扩充可行域ψi≤0的边界取得，即在ψi＝0时取得。补充可行域只是为了使其转化为一个凸集，以便于问题的求解，但并不会影响最终最优值的获取。故通过上述两个操作，只要给定初始可行解(9)中定义的优化问题可以进一步转化为凸优化问题：因而，只要给定初值(11)中定义的优化问题则可以利用cvx工具箱[10]进行求解。在优化过程中，每次cvx优化过程得到的解将会作为下次迭代优化的初值，直至算法收敛或达到最大迭代次数，进而获得优化得到的相应的局部最优值。注意到，上述算法的运行需要给定合适的初值，相应的初值选取方法已总结在算法1中。注意到，上述优化过程对初值的选取是敏感的，不同的初值可能将返回不同的局部最优值。故在设计过程中，本发明将选取ninit个不同的初值，并从其对应的ninit个局部最优可行解中，选取最优解作为最佳的星座图方案。作为总结，图2展示了ccsk-ofdm星座图优化设计的过程，其中ninit为初始可行解数目，ε是收敛精度，而lmax则为最大迭代次数。此外，基于文献[8]，本专利也提供了所提出的ccsk星座图方案的理论ser性能表达式，其ser渐进表达式可以表示为：其中nc为oofdm子载波数，h2k-1为第2k-1个子载波对应的信道增益，np定义为星座图中相邻星座点成对的数目，n0为单边功率谱密度。而则为高斯q函数。实施例2为更充分地阐述本发明所具有的有益效果，以下结合一个具体实施例的仿真分析及结果，进一步对本发明的有效性和先进性予以说明。首先，本发明选取aco-ofdm作为本实施例的oofdm方案，算法精度设置为ε＝10-4，最大迭代次数设为lmax＝10，初始可行解个数设置为nin＝100。此外，目标光强设为ptar＝1，颜色平衡的设置与文献[2]中保持一致，即对m＝8的星座图为cavg＝[0.320,0.361,0.319]t，而对m＝16的星座图则为表1则总结了基于本发明设计方法而得到的m＝{8,16}的ccsk星座图的坐标。此外，与传统的8-csk和16-csk相比，例如ieee802.15.7中的csk方案[2]和基于内点法(interiorpoint)的csk(ip-csk)[3]，本专利所提出的ccsk方案具有更好的归一化最小欧氏距离(nmed)性能。表2总结了三种星座图方案的nmed比较结果。表1：m＝{8,16}ccsk-ofdm星座图的各信号点的坐标取值表2：各方案的nmed性能比较阶数ieeecsk[2]ip-csk[3]ccskm＝80.9833(基准)1.2781(+29.98％)2.558(+160.19％)m＝160.5986(基准)0.9844(+64.45％)2.466(+275.31％)此外，本发明利用优化得到的ccsk星座图，将其作用于csk-ofdm系统中。仿真系统选取典型室内房间模型，房间维度为4m×4m×3m，房间正中央为坐标原点，假设用户终端位置坐标为[0m,0m,0.85m]。vlc信道模型采用了经典的光线追踪模型[11]，时间解析度设为δt＝4ns，最大反射次数设为3，子载波数设为nc＝64。图3展示了本设计方法优化的ccsk星座图的误符号率(ser)性能。从图3中可以看出，由于nmed的显著提升，ccsk相比于传统方案具有更好的ser性能。图4展示了经过oofdm操作后三路子信号光强的概率分布对比，其中每个子图中的竖线表示在设定的目标光强。由图4可见，基于传统星座图的信号经ifft操作后呈现的颜色会有所偏差，而本发明优化的ccsk星座图则能消除颜色平衡的偏移，保证ifft后信号满足设定的颜色约束。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。1.参考文献[1].t.komineandm.nakagawa,“fundamentalanalysisforvisible-lightcommunicationsystemusingledlights,”ieeetransactionsonconsumerelectronics.,vol.50,no.1,pp.100-107,feb.2014.[2].ieeestandardforlocalandmetropolitanareanetworks—part15.7:short-rangewirelessopticalcommunicationusingvisiblelight,ieeestandard802.15.7-2011,sept.2011,pp.1-309.[3].e.monteiroands.hranilovic,“designandimplementationofcolor-shiftkeyingforvisiblelightcommunications,”journaloflightwavetechnology,vol.32,no.10,pp.2053-2060,may15,2014.[4].r.j.drostandb.m.sadler,“constellationdesignforcolor-shiftkeyingusingbilliardsalgorithms,”globecomworkshops,2010,pp.980-984.[5].r.singh,t.o’farrellandj.p.r.david,“anenhancedcolorshiftkeyingmodulationschemeforhigh-speedwirelessvisiblelightcommunications,”journaloflightwavetechnology,vol.32,no.14,pp.2582-2592,2014.[6].f.a.d.rajo,v.guerra,j.a.r.borges,j.r.torresandr.perez-jimenez,“colorshiftkeyingcommunicationsystemwithamodifiedppmsynchronizationscheme,”ieeephotonicstechnologyletters,vol.26,no.18,pp.1851-1854,sept.2014.[7].p.das,y.park,andk.d.kim,“color-independentofdm-basedvisiblelightcommunication,”in2013fifthinternationalconferenceonubiquitousandfuturenetworks(icufn),july2013,pp.672–673.[8].qiangao,ruiwang,zhengyuanxu,andyingbohua,“dc-informativejointcolor-frequencymodulationforvisiblelightcommunications,”journaloflightwavetechnology,vol.33,no.11,pp.2181-2188,june,2015.[9].s.d.dissanayakeandj.armstrong,“comparisonofaco-ofdm,dco-ofdmandado-ofdminim/ddsystems,”journaloflightwavetechnology,vol.31,no.7,pp.1063–1072,apr.2013.[10].cvxusers’guide,cvxresearch,inc.,austin,tx,usa.[11].j.r.barry,j.m.kahn,w.j.krause,e.a.lee,andd.g.messerschmitt,“simulationofmultipathimpulseresponseforindoorwirelessopticalchannels,”ieeejournalonselectedareasincommunications,vol.11,no.3,pp.367–379,apr.1993.当前第1页12