多色可见光通信中滤光片参数的鲁棒性联合优化方法技术

本发明专利技术公开了一种多色可见光通信中滤光片参数的鲁棒性联合优化方法，包括以下步骤：S1：利用光谱仪测量各单色光的光谱曲线，用He模型对光谱曲线进行拟合，得到光谱的拟合函数；S2：确定待优化的滤光片参数；S3：接收机采用LMMSE检测方法，推导出检测的均方误差；S4：统计出用户在房间分布位置的概率信息，得到接收端光线入射角度的概率密度函数；S5：用入射角度的概率密度函数对检测的均方误差进行加权，得到角度平均下的平均均方误差；S6：用两层迭代算法联合求解各色滤光片参数的最优值。本发明专利技术能够得到各色滤光片联合优化的最优解，降低了各色光之间的交叉干扰，而且在光线偏转一定角度后，接收机仍然能够正常工作。

Joint optimization method for robustness of filter parameters in multi-color visible light communication

A joint optimization method for the robustness of the present invention discloses a multicolor filter in visible light communication parameters, which comprises the following steps: S1: measurement of spectral curves of each monochromatic light by spectrometer, the spectra were fitted with He curve model, get the fitting function of the spectrum; S2: determine the filter parameters to be optimized; S3 receiver using: the LMMSE detection method, mean square error detection is derived; S4: the statistics of users in the room location probability information, to obtain the probability density function of the incident angle of the light receiving end; S5: be weighted by the probability density function of the incident angle of mean square error of detection, get the average angle under the average mean square error; S6: the best use all kinds of filter parameters of two layer iterative algorithm to calculate the joint. The invention can obtain the optimum solution of the combination of various color filters, and reduces the cross interference between the colored lights, and the receiver can work normally after the light deflects a certain angle.

【技术实现步骤摘要】
多色可见光通信中滤光片参数的鲁棒性联合优化方法
本专利技术涉及多色可见光通信领域，特别是涉及多色可见光通信中滤光片参数的鲁棒性联合优化方法。
技术介绍
随着科技的发展，无线频谱资源越来越紧缺。近年来，可见光通信作为射频无线通信的一个补充，成为通信领域研究的热点。但是可见光无线通信与射频无线通信相比，穿透性较差，容易受到物体的阻挡，所以可见光无线通信系统可以作为射频无线通信的最后20米接入，适用于室内通信，以及其他一些近距离通信。可见光通信中的多色光系统采用了多色光混合成白光的方法，相对于单色光系统而言，能够大幅度提升通信容量和通信速率，受到了越来越多的研究。测试研究表明，发送端的LED光谱形状类似于高斯函数，由于各色光谱展开的较宽，各色光之间存在着交叠的现象，从而引起了子信道的交叉干扰。在接收端，为了使各色光之间的交叉干扰尽可能小，对滤光片参数的优化是避免交叉干扰的一种途径。在优化滤光片参数时，可以分别对每一路子信道进行单独优化，也可以各路在一起进行联合优化。单独优化是以每一路子信道的性能为目标分别进行优化，得到的滤光片参数仅仅使每一路达到最优，但这种做法对于整体而言，可能仅仅是个次优解；而联合优化是以整体的性能为目标，和单独优化相比，可以获得整体最优的滤光片。另外，实际采用的滤光片一般是干涉滤光片，这种干涉滤光片的通带范围会随着光线入射角度而改变。设垂直入射时滤光片通带中心波长为λ0，入射角度为θ时通带的中心波长为λ(θ)，它们之间的数学关系为：其中，n0是空气的折射系数，neff是滤光片的等效折射系数。在可见光通信的场景中，接收机有可能处于偏转角度的工作状态，当偏转的角度较大时，滤光片的通带可能已经偏离了正常的工作范围，此时接收机的性能会大大降低，甚至无法正常工作。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的多色可见光通信中滤光片参数的鲁棒性联合优化方法。技术方案：为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术所述的多色可见光通信中滤光片参数的鲁棒性联合优化方法，包括以下步骤：S1：利用光谱仪测量各单色光的光谱曲线，用He模型对光谱曲线进行拟合，得到光谱的拟合函数；S2：确定待优化的滤光片参数；S3：接收机采用LMMSE检测方法，推导出检测的均方误差；S4：统计出用户在房间分布位置的概率信息，得到接收端光线入射角度的概率密度函数；S5：用入射角度的概率密度函数对检测的均方误差进行加权，得到角度平均下的平均均方误差；S6：用两层迭代算法联合求解各色滤光片参数的最优值。进一步，所述步骤S1中的He模型如式(1)所示：式(1)中，λ是光谱波长变量，λj是第j个LED的峰值波长，kj,1、kj,2是光谱拟合的特征参数，g(λ,λj,Δλj)如式(2)所示，Δλj如式(3)所示：g(λ,λj,Δλj)＝exp[-(λ-λj)2/(Δλj)2](2)式(3)中，Δλj,1、Δλj,2是光谱左右两半边的半峰带宽。进一步，所述步骤S2中，如果滤光片的通带是矩形的，则当入射角度偏转到θ时，第i个滤光片的左右边界如式(4)所示：式(4)中，αi(θ)为第i个滤光片在入射角度偏转到θ时的左边界，βi(θ)为第i个滤光片在入射角度偏转到θ时的右边界，αi为第i个滤光片待求的左边界，βi为第i个滤光片待求的右边界，n0为空气的等效折射系数，neff为滤光片的等效折射系数。进一步，所述步骤S3中检测的均方误差如式(5)所示：式(5)中，为接收机对原始发送信号的估计，如式(6)所示；x为N维发送向量，tr(·)表示对矩阵求迹；Rx＝E[xxT]；T为多色信道交叉干扰矩阵，如式(10)所示；H0为光强衰减的倍数，如式(8)所示；F为发送端功率分配矩阵；Rn＝E[nnT]，n为N维噪声向量，为噪声功率，E[·]表示求期望；α为N个滤光片的待求左边界组成的N维向量；β为N个滤光片的待求右边界组成的N维向量；θ为接收端入射光线的角度；式(6)中，Gopt为最优检测矩阵，如式(7)所示；y为N维接收向量，如式(9)所示；Gopt＝Rx(TH0F)T(TH0FRx(TH0F)T+Rn)-1(7)式(8)中，m为LED朗博辐射模型的阶数，A为雪崩光电二极管的面积，h为房间的高度，φ为LED辐射光线相对于光轴的角度，θ为接收端入射光线的角度，φ＝θ；y＝TH0Fx+n(9)式(10)中，tij如式(11)所示；式(11)中，αi(θ)为第i个滤光片在入射角度偏转到θ时的左边界，βi(θ)为第i个滤光片在入射角度偏转到θ时的右边界，Sj(λ)如式(12)所示，λ为光谱波长变量；式(12)中，λj是第j个LED的峰值波长，kj,1、kj,2是光谱拟合的特征参数，g(λ,λj,Δλj)如式(13)所示，Δλj如式(14)所示：g(λ,λj,Δλj)＝exp[-(λ-λj)2/(Δλj)2](13)式(14)中，Δλj,1、Δλj,2是光谱左右两半边的半峰带宽。进一步，所述步骤S5中，通过求解式(15)得到角度平均下的平均均方误差；式(15)中，pΘ(θk)为接收端光线入射角度取值θk时对应的概率，θmax为最大入射角度，K为正整数，MSE(α,β,θk)为接收端光线入射角度取值θk时对应的检测均方误差，θk为接收端光线入射角度离散化后的第k个角度值，αi为第i个滤光片待求的左边界，βi为第i个滤光片待求的右边界，λmin为可见光光谱的最小波长，λmax为可见光光谱的最大波长，表示第i个光谱的峰值波长，N为滤光片的个数。进一步，所述步骤S6中，用两层迭代算法联合求解各色滤光片参数的最优值通过以下方法实现：S6.1：初始化α＝α(t)，β＝β(t)，t＝0，i＝1，t＝t+1；其中，α为N个滤光片的待求左边界组成的N维向量，β为N个滤光片的待求右边界组成的N维向量，t为外层迭代的次数，i为滤光片的个数；S6.2：内层迭代开始，固定除第i个滤光片以外其余的滤光片，计算第i个滤光片，s＝1，s为内层迭代的次数；S6.3：固定计算的值，用二分法计算式(16)所有的根，在约束范围选择使得最小的根作为更新值，如式(17)所示；其中，αi为第i个滤光片待求的左边界，βi为第i个滤光片待求的右边界；式(17)中，pΘ(θk)为接收端光线入射角度取值θk时对应的概率，θmax为最大入射角度，K为正整数，MSE(α,β,θk)为接收端光线入射角度取值θk时对应的检测均方误差，θk为接收端光线入射角度离散化后的第k个角度值；S6.4：固定计算的值，用二分法计算式(18)所有的根，在约束范围选择使得最小的根作为更新值；S6.5：判断内层迭代是否停止：如果满足和ε为误差门限，则继续进行步骤S6.6；否则，令s＝s+1，然后返回到步骤S6.3；S6.6：判断外层迭代是否停止：如果i＜N，i＝i+1，则返回步骤S6.2；如果i＝N，并且满足||α(t)-α(t-1)||＜ε，||β(t)-β(t-1)||＜ε，则迭代停止，并令i＝1，t＝t+1，然后返回步骤S6.2；S6.7：输出最优的滤光片参数α(t)，β(t)，算法结束。有益效果：本专利技术能够得到各色滤光片联合优化的最优解，降低了各色光之间的交叉干扰，而且在光线偏转一定角度后，接收机仍然能本文档来自技高网...

【技术保护点】
多色可见光通信中滤光片参数的鲁棒性联合优化方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：利用光谱仪测量各单色光的光谱曲线，用He模型对光谱曲线进行拟合，得到光谱的拟合函数；S2：确定待优化的滤光片参数；S3：接收机采用LMMSE检测方法，推导出检测的均方误差；S4：统计出用户在房间分布位置的概率信息，得到接收端光线入射角度的概率密度函数；S5：用入射角度的概率密度函数对检测的均方误差进行加权，得到角度平均下的平均均方误差；S6：用两层迭代算法联合求解各色滤光片参数的最优值。

【技术特征摘要】
1.多色可见光通信中滤光片参数的鲁棒性联合优化方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：利用光谱仪测量各单色光的光谱曲线，用He模型对光谱曲线进行拟合，得到光谱的拟合函数；S2：确定待优化的滤光片参数；S3：接收机采用LMMSE检测方法，推导出检测的均方误差；S4：统计出用户在房间分布位置的概率信息，得到接收端光线入射角度的概率密度函数；S5：用入射角度的概率密度函数对检测的均方误差进行加权，得到角度平均下的平均均方误差；S6：用两层迭代算法联合求解各色滤光片参数的最优值。2.根据权利要求1所述的多色可见光通信中滤光片参数的鲁棒性联合优化方法，其特征在于：所述步骤S1中的He模型如式(1)所示：式(1)中，λ是光谱波长变量，λj是第j个LED的峰值波长，kj,1、kj,2是光谱拟合的特征参数，g(λ,λj,Δλj)如式(2)所示，Δλj如式(3)所示：g(λ,λj,Δλj)＝exp[-(λ-λj)2/(Δλj)2](2)式(3)中，Δλj,1、Δλj,2是光谱左右两半边的半峰带宽。3.根据权利要求1所述的多色可见光通信中滤光片参数的鲁棒性联合优化方法，其特征在于：所述步骤S2中，如果滤光片的通带是矩形的，则当入射角度偏转到θ时，第i个滤光片的左右边界如式(4)所示：式(4)中，αi(θ)为第i个滤光片在入射角度偏转到θ时的左边界，βi(θ)为第i个滤光片在入射角度偏转到θ时的右边界，αi为第i个滤光片待求的左边界，βi为第i个滤光片待求的右边界，n0为空气的等效折射系数，neff为滤光片的等效折射系数。4.根据权利要求1所述的多色可见光通信中滤光片参数的鲁棒性联合优化方法，其特征在于：所述步骤S3中检测的均方误差如式(5)所示：式(5)中，为接收机对原始发送信号的估计，如式(6)所示；x为N维发送向量，tr(·)表示对矩阵求迹；Rx＝E[xxT]；T为多色信道交叉干扰矩阵，如式(10)所示；H0为光强衰减的倍数，如式(8)所示；F为发送端功率分配矩阵；Rn＝E[nnT]，n为N维噪声向量，为噪声功率，E[·]表示求期望；α为N个滤光片的待求左边界组成的N维向量；β为N个滤光片的待求右边界组成的N维向量；θ为接收端入射光线的角度；式(6)中，Gopt为最优检测矩阵，如式(7)所示；y为N维接收向量，如式(9)所示；Gopt＝Rx(TH0F)T(TH0FRx(TH0F)T+Rn)-1(7)式(8)中，m为LED朗博辐射模型的阶数，A为雪崩光电二极管的面积，h为房间的高度，φ为LED辐射光线相对于光轴的角度，θ为接收端入射光线的角度，φ＝θ；y＝TH0Fx+n(9)式(10)中，tij如式(11)所示；式(11)中，αi(θ)为第i个滤光片在入...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁霄，葛鹏飞，王家恒，赵春明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32