本發(fā)明涉及可見(jiàn)光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種優(yōu)化空間調(diào)制的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著led技術(shù)與工藝的發(fā)展，可見(jiàn)光通信(vlc)被視為傳統(tǒng)短距離無(wú)線通信一個(gè)有力的補(bǔ)充，與傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)相比，可見(jiàn)光通信采用的是頻率更高、頻譜更寬的可見(jiàn)光頻段，并具有可靠、安全以及使用范圍更廣等優(yōu)點(diǎn)。然而，受限于商用led光源可用調(diào)制帶寬，實(shí)際的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中通信速率無(wú)法得到進(jìn)一步的提高，為了擺脫調(diào)制帶寬對(duì)通信系統(tǒng)的限制，學(xué)術(shù)界提出了高頻譜效率的調(diào)制方案如正交頻分復(fù)用(ofdm)結(jié)合多輸入多輸出(mimo)技術(shù)。其中在mimo可見(jiàn)光技術(shù)中，有一種新興的調(diào)制技術(shù)：空間調(diào)制技術(shù)。它的基本原理是將所需傳輸?shù)男畔⒎譃閮蓚€(gè)部分，一個(gè)是通過(guò)傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)如脈沖幅度調(diào)制(pam)、開(kāi)關(guān)鍵控(ook)等調(diào)制攜帶所需的傳輸信息，另一部分是通過(guò)以發(fā)射機(jī)序號(hào)映射的空間信息。和傳統(tǒng)的mimo技術(shù)相比，空間調(diào)制技術(shù)在一個(gè)傳輸時(shí)隙內(nèi)，只允許一個(gè)發(fā)射機(jī)工作，因此能有效降低不同發(fā)射機(jī)導(dǎo)致的信道干擾問(wèn)題和系統(tǒng)復(fù)雜度。

然而由于室內(nèi)可見(jiàn)光信道的高度相關(guān)性，調(diào)制于發(fā)射機(jī)標(biāo)號(hào)的空間信息難以被正確解調(diào)，從而使得通信系統(tǒng)的誤碼率有顯著的提升，這將極大地降低空間調(diào)制的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的性能和可靠性，現(xiàn)階段基于空間調(diào)制的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)難以保證可靠的通信性能，新的解決方案有待研究和提出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種優(yōu)化空間調(diào)制的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的方法，該方法能極大地改善系統(tǒng)的誤碼率，提高室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的通信性能，且易于操作和實(shí)際實(shí)現(xiàn)。

一種優(yōu)化空間調(diào)制的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的方法，所述方法包括：

步驟1、根據(jù)常規(guī)的室內(nèi)照明需求布置m個(gè)led光源作為信號(hào)發(fā)射機(jī)陣列，其中l(wèi)ed為發(fā)光二極管；

步驟2、使用n個(gè)光電二極管pd構(gòu)成信號(hào)接收機(jī)陣列，并改變pd的排布方式，使每一個(gè)pd的朝向的法向量不一致；

步驟3、按照空間調(diào)制的方式進(jìn)行可見(jiàn)光通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸。

所述pd的數(shù)量為4個(gè)，且4個(gè)pd在一個(gè)平面內(nèi)圍繞著半徑為0.1米的圓均勻分布放置，每個(gè)pd的方位角度之差為90度。

所述每一個(gè)pd的朝向的法向量通過(guò)一定的優(yōu)化準(zhǔn)則給出，該優(yōu)化準(zhǔn)則包括：

首先確定直角坐標(biāo)系，利用(xj，yj，zj，θj，φj)五元組來(lái)描述第j個(gè)pd的位置特性，其中θ為方位角，φ為仰角，這兩者可以用來(lái)確定pd朝向的法向量，且每個(gè)pd的五元組滿足以下約束關(guān)系：

1≤j≤n

根據(jù)所布置的led的位置和相應(yīng)的特性參數(shù)，得到pd陣列在確定位置下的信道矩陣h；

計(jì)算接收到的最小信號(hào)歐式距離，得到最小信號(hào)歐式距離與方位角和仰角的關(guān)系；

通過(guò)改變方位角θ和仰角φ使最小信號(hào)歐式距離達(dá)到最?。黄渲?，使得最小信號(hào)歐式距離達(dá)到最小時(shí)的方位角和仰角即為接收陣列pd的法向量參數(shù)。

所述計(jì)算接收到的最小信號(hào)歐式距離具體包括：

采用k-pam調(diào)制方式得到最小信號(hào)歐式距離表示為：

k1,k2＝1,2，…,k；j1,j2＝1,2,…,m；

其中，ik信號(hào)映射到pam時(shí)對(duì)應(yīng)的幅度，hij為信道矩陣中的元素；

m＝1,2,…,k。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，上述方法能極大地改善系統(tǒng)的誤碼率，提高室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的通信性能，且易于操作和實(shí)際實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供優(yōu)化空間調(diào)制的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的方法流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例所舉出的一種pd陣列排布的示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例所述最小信號(hào)歐式距離與方位角和仰角的關(guān)系圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例所述方法與傳統(tǒng)空間調(diào)制方案的誤碼率對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)對(duì)接收機(jī)陣列進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以良好地改善采用空間調(diào)制技術(shù)的多輸入多輸出的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)性能，有效地降低室內(nèi)可見(jiàn)光多路信道的相關(guān)性，在誤碼率門(mén)限10^-3處獲得了7db以上的電信噪比增益。下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述，如圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例所提供優(yōu)化空間調(diào)制的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的方法流程示意圖，所述方法包括：

步驟1、根據(jù)常規(guī)的室內(nèi)照明需求布置m個(gè)led光源作為信號(hào)發(fā)射機(jī)陣列，其中l(wèi)ed為發(fā)光二極管；

在該步驟中，為了確?？臻g調(diào)制技術(shù)能完成空間信息的映射，需要滿足m＝2^k，k＝1，2，……。

步驟2、使用n個(gè)光電二極管pd構(gòu)成信號(hào)接收機(jī)陣列，并改變pd的排布方式，使每一個(gè)pd的朝向的法向量不一致；

在該步驟中，如圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例所舉出的一種pd陣列排布的示意圖，圖2中：pd的數(shù)量為4個(gè)，且4個(gè)pd在一個(gè)平面內(nèi)圍繞著半徑為0.1米的圓均勻分布放置，每個(gè)pd的方位角度之差為90度。其中，φoffset為陣列方位角的偏移量，為待優(yōu)化參數(shù)；θele為pd的仰角，為待優(yōu)化參數(shù)。

所述每一個(gè)pd的朝向的法向量通過(guò)一定的優(yōu)化準(zhǔn)則給出，該優(yōu)化準(zhǔn)則包括：

1)首先確定直角坐標(biāo)系，利用(xj，yj，zj，θj，φj)五元組來(lái)描述第j個(gè)pd的位置特性，其中θ為方位角，φ為仰角，這兩者可以用來(lái)確定pd朝向的法向量，且每個(gè)pd的五元組滿足以下約束關(guān)系：

1≤j≤n

2)根據(jù)所布置的led的位置和相應(yīng)的特性參數(shù)，得到pd陣列在確定位置下的信道矩陣h；

這里，h是一個(gè)n×m矩陣，其表達(dá)式為

其中，a是接收端pd的探測(cè)面積，ψ是接收端pd的視場(chǎng)角，θ1/2表示led半功率角，m表示led朗博模型輻射階數(shù)。

3)計(jì)算接收到的最小信號(hào)歐式距離，得到系統(tǒng)誤碼率與方位角和仰角的關(guān)系：

其中，dh表示比特流和q函數(shù)間的hamming間距，k是調(diào)制信號(hào)階數(shù)，通常使用脈沖幅度調(diào)制(pam)，m是發(fā)射端燈的個(gè)數(shù)，和分別表示調(diào)制在和xk2j2上的比特信息，對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)的強(qiáng)度分別為和是經(jīng)pd接收后不同信號(hào)間的歐式距離。

由上述關(guān)系式可知：當(dāng)調(diào)制信號(hào)確定后，影響系統(tǒng)誤碼率的變量是信號(hào)歐式距離。進(jìn)一步地的取值是由接收端的方位角和仰角決定，因此通過(guò)優(yōu)化方位角和仰角可以獲得最小信號(hào)歐式距離，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能。

這里，舉例來(lái)說(shuō)，將接收陣列放在一個(gè)4m*4m*3m的房間內(nèi)，房間布置了n＝4個(gè)led作為信號(hào)發(fā)射機(jī)，放置在高為2.7m的水平面上，具體的位置為(1,3,2.7)，(3,3,2.7),(3,1,2.7),(1,1,2.7)單位為米，以房間的某個(gè)角落為坐標(biāo)遠(yuǎn)點(diǎn)；而pd陣列放在高為0.8m的水平面上，位置為(2,2,0.8)單位為米；led的半功率角設(shè)置為60度，pd的視場(chǎng)角為90度。

如圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例所述最小信號(hào)歐式距離與方位角和仰角的關(guān)系圖，通過(guò)改變仰角和方位角，得到最小信號(hào)歐式距離與方位角和仰角的關(guān)系，由圖3可知：仰角對(duì)最小信號(hào)歐式距離有較大的影響，而方位角對(duì)其影響可以忽略；在當(dāng)前參數(shù)設(shè)置下，仰角為50度時(shí)，最小信號(hào)歐式距離達(dá)到最小。

4)通過(guò)改變方位角θ和仰角φ使最小信號(hào)歐式距離達(dá)到最??；其中，使得最小信號(hào)歐式距離達(dá)到最小時(shí)的方位角和仰角即為接收陣列pd的法向量參數(shù)。

這里，計(jì)算接收到的最小信號(hào)歐式距離可以采用k-pam調(diào)制方式，所得到的最小信號(hào)歐式距離表示為：

k1,k2＝1,2，…,k；j1,j2＝1,2,…,m；

其中，ik信號(hào)映射到pam時(shí)對(duì)應(yīng)的幅度，hij為信道矩陣中的元素；

m＝1,2,…,k

步驟3、按照空間調(diào)制的方式進(jìn)行可見(jiàn)光通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸。

具體實(shí)現(xiàn)中，該信號(hào)傳輸過(guò)程為：

首先來(lái)自信源待傳輸?shù)亩M(jìn)制比特傳輸?shù)娇臻g調(diào)制系統(tǒng)，通過(guò)空間調(diào)制映射后經(jīng)由led作為信號(hào)發(fā)射機(jī)傳輸出去。空間調(diào)制的信息傳輸分為兩個(gè)部分，一部分是通過(guò)傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)如pam,ook等方案將二進(jìn)制比特映射到星座圖上作為信息傳輸，另一部分是通過(guò)在任意一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，只有一個(gè)led發(fā)送剛剛映射到星座圖的信號(hào)，通過(guò)發(fā)射機(jī)的序號(hào)作為信息傳輸出去。在接收端，通過(guò)最優(yōu)檢測(cè)算法(如最大似然)對(duì)兩部分信息進(jìn)行解調(diào)，得到解調(diào)后的二進(jìn)制比特信息。

下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所述方法和傳統(tǒng)調(diào)制方案的誤碼率進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明，如圖4所示為本發(fā)明實(shí)施例所述方法與傳統(tǒng)空間調(diào)制方案的誤碼率對(duì)比示意圖，其中縱軸為誤碼率，橫軸為信噪比。傳統(tǒng)的空間調(diào)制的pd陣列排布是水平的，各個(gè)pd的接收面法向量垂直于水平面，這就導(dǎo)致了接收信號(hào)有極大的相關(guān)性，進(jìn)而使得調(diào)制的空間信息無(wú)法正確解調(diào)；本發(fā)明實(shí)施例的方法令仰角為50度進(jìn)行系統(tǒng)誤碼率仿真，通過(guò)改變pd的排布方式，使得原來(lái)的空間調(diào)制系統(tǒng)的性能有了很大的提升，在誤碼率為10^-3量級(jí)獲得了超過(guò)7db的信噪比增益，從圖4中結(jié)果可以看出，本發(fā)明所述方法能極大的提高空間調(diào)制可見(jiàn)光中的誤碼率性能。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例所述方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)有效降低可見(jiàn)光信道傳遞矩陣的相關(guān)性，通過(guò)角度分集為空間調(diào)制提供空間信息的增益，有效地提高通信系統(tǒng)的誤碼率性能，極大地改善室內(nèi)空間調(diào)制的性能；

(2)與原有的對(duì)準(zhǔn)方案相比，更易于實(shí)現(xiàn)，具有更高的實(shí)用價(jià)值。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。