一种多色可见光通信照明和收发机联合优化技术

摘要

本发明公开了一种多色可见光通信照明和收发机联合优化技术，包括一种多色可见光照明和收发机设备和一种对多色可见光通信照明和收发机联合优化方法；所述一种多色可见光照明和收发机的设备以四色发光二极管（QLED）灯作为发射，PD（光电检测器）和相应颜色的滤光片为接收机；所述一种对多色可见光通信照明和收发机联合优化方法，以最小化MSE（均方误差）为准则，对预编码矩阵、均衡矩阵和光通量分配比例进行联合优化；本发明的优势在于，在实现可靠通信的同时兼顾了高品质照明，考虑了实际照明需求，保证了其的直接应用，相比于在接收端忽略干扰的VLC（可见光通信）系统，可以获得更好的系统性能增益。

权利要求

1.一种对多色可见光通信照明和收发机联合优化方法，其特征在于：根据通信和照明两个方面的优化，以最小化均方误差为准则，对预编码矩阵、均衡矩阵和光通量分配比例进行联合优化，优化步骤如下：(1)根据给定的色度点坐标，随机产生一个满足色度条件的光通量分配比例；

(2)根据产生的光通量比例初始化预编码矩阵F；

(3)给定F，令 得到均衡矩阵W；

(4)当W给定时，目标函数是凸的，限制条件是线性的，通过凸优化工具计算求出F和光通量比例；

(5)当达到最大迭代次数后结束计算，得到此时的MSE；

(6)随机产生多个不同初始光通量分配重复上述步骤，取MSE最小时的F、W和光通量比例。

2.根据权利要求1所述的一种对多色可见光通信照明和收发机联合优化方法，其特征在于：所述联合优化方法采用多色MIMO模型，并考虑由于光谱重叠产生的信道干扰。

3.一种采用如权利要求1或2所述方法的基于多色LED的多色MIMO可见光系统，其特征在于，包括四色发光二极管(QLED)灯、PD和滤光片，调制信号经过预编码加上直流偏置后经过四色发光二极管(QLED)发送，进入光信道传输，在接收端经过滤光片选择后被PD接收，然后PD接收到的信号经过MMSE均衡器得到判决信号；

发送信号和接收信号间的MSE如下：

MSE＝E[(d-s)T(d-s)]

＝Tr[WHFRs(WHF)T]-Tr(WHFRs)-Tr[Rs(WHF)T]+Tr(Rs)+Tr(WRnWT)其中，d是接收信号矢量，s是发送信号矢量，Tr是矩阵的迹(矩阵的主对角线上所有元素的和)，F,W分别是预编码和均衡矩阵，Rs,Rn分别是发送信号和噪声的协方差矩阵；H是存在干扰时的信道矩阵，表示如下：ε是干扰系数，ε∈[0,0.5)。

4.根据权利要求3所述的多色MIMO可见光系统，其特征在于，还包括，设定LED的信号非负，且要小于LED的最大幅度限制；

当使用四色发光二极管(QLED)作为发送端时，一个想要的色度点对应无穷多个光通量分配比例，如下式所示：其中，(xi,yi),i∈{r,a,g,b}是各个单色光的色坐标，(xd,yd)是想要的色度点的色坐标，d＝[dr,da,dg,db]T是光通量比例。

说明书

一种多色可见光通信照明和收发机联合优化技术

技术领域

[0001] 本发明涉及可见光设备改进技术领域，具体为一种多色可见光通信照明和收发机联合优化技术。

背景技术

[0002] 过去十几年，LED照明研究机构和可见光通信研究机构围绕各自的性能指标提升做了大量的、富有成效的研究工作。但是，这些研究工作是相对独立的，对于通信来说，往往在意的是传输速率和通信性能；而对于照明来说，追求的是所需的照明质量。可见光通信是LED绿色照明与无线通信相结合的产物，通信与照明深度融合是其发展的本质要求。目前市面上常见的LED主要有两种，一种是蓝光灯芯激发黄色荧光粉进而发出白光，一种是多基色合成产生白光。随着照明产业的发展，多色LED以其高显指、高等效带宽、绿色健康的优势逐渐代替了单色LED，成为照明市场的主导。

[0003] 基于多色传输的可见光通信系统可以同时实现高质量的照明和高速率的通信。传统的波分复用没有考虑信道串扰，认为滤光片是理想的，然而LED的辐射光谱具有一定的线宽，随着信道个数的增加，各个颜色的光谱间会出现重叠。尽管在接收端有滤光片的选择作用，然而实际中的滤光片不可能是理想的，滤光片无法对光谱重叠部分进行区分，此时信道串扰将产生。另外，由于LED同时作为照明源和信号发射器，所以在进行系统设计时必须兼顾照明质量和通信性能。

[0004] 因此，需要对收发机和照明联合进行优化设计，寻找使系统的通照性能都能达到最佳的预编码、均衡矩阵和光通量分配比例。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种多色可见光通信照明和收发机联合优化技术，以解决上述背景技术提出的寻找使系统的通照性能都能达到最佳的预编码、均衡矩阵和光通量分配比例问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种多色可见光通信照明和收发机联合优化技术，在考虑信道串扰的情况下，利用多色MIMO系统模型，通过对收发机和照明联合进行优化设计，寻找使系统的通照性能都能达到最佳的预编码、均衡矩阵和光通量分配比例，包括一种多色可见光照明和收发机系统和一种对多色可见光通信照明和收发机联合优化方法；

[0008] 一种多色可见光照明和收发机系统，包括四色发光二极管(QLED)灯、PD和相应颜色的滤光片，其中四色发光二极管(QLED)灯为发射机，PD和相应颜色的滤光片为接收机；

[0009] 其中，所述四色发光二极管(QLED)灯、PD和相应颜色的滤光片构成了基于多色LED的多色MIMO可见光系统，该系统中，调制信号经过预编码加上直流偏置后经过四色发光二极管(QLED)发送，进入光信道传输，在接收端经过滤光片选择后被PD接收，然后PD接收到的信号经过一个MMSE均衡器得到判决信号。

[0010] 发送信号和接收信号间的MSE如下：

[0011] MSE＝E[(d-s)T(d-s)]

[0012]    ＝Tr[WHFRs(WHF)T]-Tr(WHFRs)-Tr[Rs(WHF)T]+Tr(Rs)+Tr(WRnWT)[0013] 其中，d是接收信号矢量，s是发送信号矢量，Tr是矩阵的迹(矩阵的主对角线上所有元素的和)，F,W分别是预编码和均衡矩阵，Rs,Rn分别是发送信号和噪声的协方差矩阵；H是存在干扰时的信道矩阵，可以表示如下：

[0014]

[0015] ε是干扰系数，ε∈[0,0.5)。

[0016] 一种对多色可见光通信照明和收发机联合优化方法，由于可见光系统要在实现可靠通信的同时兼顾高品质照明，因此进行优化设计时要考虑通信和照明两个方面的限制。通信方面，LED的信号必须非负，另外要小于LED的最大幅度限制；照明方面，首先亮度要恒定，避免闪烁，另外要考虑实际照明对色度的要求。使用四色发光二极管(QLED)作为发送端时，一个想要的色度点对应无穷多个光通量分配比例，如下式所示：

[0017]

[0018] 其中，(xi,yi),i∈{r,a,g,b}是各个单色光的色坐标，(xd,yd)是想要的色度点的色坐标，d＝[dr,da,dg,db]T是光通量比例。

[0019] 以最小化MSE为准则，对预编码矩阵、均衡矩阵和光通量分配比例进行联合优化。具体步骤如下：

[0020] (1)根据给定的色度点坐标，随机产生一个满足色度条件的光通量分配[0021] 比例；

[0022] (2)根据产生的光通量比例初始化预编码矩阵F；

[0023] (3)给定F，令 得到均衡矩阵W；

[0024] (4)当W给定时，目标函数是凸的，限制条件是线性的，通过凸优化工具可以计算求出F和光通量比例；

[0025] (5)当达到最大迭代次数后结束计算，得到此时的MSE；

[0026] (6)随机产生多个不同初始光通量分配重复上述步骤，取MSE最小时的F、W和光通量比例。

[0027] 优选的，所述联合优化方法应用了多色MIMO模型，即多发多收系统模型，考虑了由于光谱重叠产生的信道干扰。

[0028] 优选的，所述联合优化方法运用迭代的思想和凸优化工具解决三个未知量联合优化的复杂问题。

[0029] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的基于多色LED可见光通信的收发机和照明联合优化技术在实现可靠通信的同时兼顾了高品质照明，在特定的照明要求下，利用联合优化方法可以找到使系统性能最好的光通量分配比例和收发机矩阵。考虑了实际照明需求，保证了其的直接应用。另外，相比于在接收端忽略干扰的VLC系统，可以获得更好的系统性能增益。

附图说明

[0030] 图1为基于四色发光二极管(QLED)的多色MIMO-VLC系统示意图；

[0031] 图中：VLC为可见光通信、MIMO为多发多收系统、QLED为四色发光二极管、PD为光电检测器、MMSE为最小均方误差。

具体实施方式

[0032] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033] 请参阅图1，本发明提供一种技术方案：

[0034] 一种多色可见光通信照明和收发机联合优化技术，包括一种多色可见光照明和收发机系统和一种对多色可见光通信照明和收发机联合优化方法；

[0035] 一种多色可见光照明和收发机系统，包括四色发光二极管(QLED)灯、PD和相应颜色的滤光片，其中四色发光二极管(QLED)灯为发射机，PD和相应颜色的滤光片为接收机；

[0036] 其中，所述四色发光二极管(QLED)灯、PD和相应颜色的滤光片为接收机构成了基于多色LED的多色MIMO可见光系统，该系统中，调制信号经过预编码加上直流偏置后经过四色发光二极管(QLED)发送，进入光信道传输，在接收端经过滤光片选择后被PD接收，然后PD接收到的信号经过一个MMSE均衡器得到判决信号。

[0037] 发送信号和接收信号间的MSE如下：

[0038] MSE＝E[(d-s)T(d-s)]

[0039]    ＝Tr[WHFRs(WHF)T]-Tr(WHFRs)-Tr[Rs(WHF)T]+Tr(Rs)+Tr(WRnWT)[0040] 其中，d是接收信号矢量，s是发送信号矢量，Tr是矩阵的迹(矩阵的主对角线上所有元素的和)，F,W分别是预编码和均衡矩阵，Rs,Rn分别是发送信号和噪声的协方差矩阵；H是存在干扰时的信道矩阵，可以表示如下：

[0041]

[0042] ε是干扰系数，ε∈[0,0.5)。

[0043] 一种对多色可见光通信照明和收发机联合优化方法，由于可见光系统要在实现可靠通信的同时兼顾高品质照明，因此进行优化设计时要考虑通信和照明两个方面的限制。通信方面，LED的信号必须非负，另外要小于LED的最大幅度限制；照明方面，首先亮度要恒定，避免闪烁，另外要考虑实际照明对色度的要求。使用四色发光二极管(QLED)作为发送端时，一个想要的色度点对应无穷多个光通量分配比例，如下式所示：

[0044]

[0045] 其中，(xi,yi),i∈{r,a,g,b}是各个单色光的色坐标，(xd,yd)是想要的色度点的色坐标，d＝[dr,da,dg,db]T是光通量比例。

[0046] 以最小化MSE为准则，对预编码矩阵、均衡矩阵和光通量分配比例进行联合优化。具体步骤如下：

[0047] (1)根据给定的色度点坐标，随机产生一个满足色度条件的光通量分配比例；

[0048] (2)根据产生的光通量比例初始化预编码矩阵F；

[0049] (3)给定F，令 得到均衡矩阵W；

[0050] (4)当W给定时，目标函数是凸的，限制条件是线性的，通过凸优化工具可以计算求出F和光通量比例；

[0051] (5)重复步骤3至4的计算，当达到最大迭代次数后结束计算，得到此时的MSE；

[0052] (6)随机产生多个不同初始光通量分配重复上述步骤，取MSE最小时的F、W和光通量比例。

[0053] 工作原理：应用了多色MIMO模型，考虑了由于光谱重叠产生的信道干扰；照明和通信一体化，优化设计中既有通信限制，也有照明限制；运用迭代的思想和凸优化工具解决了一个三个未知量联合优化的复杂问题。

[0054] 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。