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技术方案

本发明专利技术涉及一种颜色键控与OFDM联合调制可见光通信系统的星座图设计方法。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。

Constellation Map Design Method for Visible Communication System with Colour Keying and OFDM Joint Modulation

The invention relates to a constellation diagram design method for a color keying and OFDM joint modulation visible light communication system. The new constellation map designed by this method has two distinct advantages: firstly, it overcomes the color offset caused by optical orthogonal frequency division multiplexing (OOFDM) modulation process; secondly, it provides the optimal minimum Euclidean distance (MED) under the constraint of color balance, thereby improving the system's BER performance.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术提出了用于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。
技术实现思路
本专利技术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。如使用本专利技术优化设计的新型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。为实现以上专利技术目的，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专利技术做进一步的阐述。实施例1为便于描述，本实施例将以ACO-OFDM为例，阐述本专利技术所提出的新型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x本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.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，其特征在于：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：

【技术特征摘要】
1.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，其特征在于：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-OF...

【专利技术属性】
技术研发人员：江明，林泽锋，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44