一种用于室内可见光通信系统的神经网络均衡方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于可见光无线通信领域，涉及一种用于室内可见光通信系统的神经网络 均衡方法。
【背景技术】
[0002] 由于网络频段资源的枯竭，网络干扰，以及网络泄密等问题的日益严峻，我们需要 找到能够克服上述问题的新的网络通信技术，而可见光通信技术是最有发展前景的技术之 〇
[0003] 可见光通信（VisibleLightCommunication，VLC)技术是一种使用可见光作为 信息载体的新型无线光通信方式，它主要利用半导体发光二极管（LightEmittingDiode， LED)所具有的高速响应特性，同时实现通信和照明的双重功能。可见光通信发出的光是电 磁波谱中人眼所可以感知的那部分，波长在380nm到780nm之间，对人眼安全。基于LED的 可见光无线通信系统，无论是应用于室内还是室外，在其物理实现上均分为光信号发射和 光信号接收两部分。光信号发射部分主要包括：将信号源信号转换成便于大气信道传输的 电信号的输入和处理电路，以及将电信号转化调制成光载波强度变化的LED可见光驱动电 路。可见光接收机部分主要包括：能对信号光源实现最佳接收的光学系统，将光信号还原成 电信号的光电探测器和前置放大电路，为了获得最佳接收信噪比的滤波电路，以及将电信 号转换成可被终端识别的信号处理和输出电路等。
[0004] 目前，可见光通信的研究热点之一是如何提高通信速率，减小码间干扰。对可见光 无线通信系统来说，LED光源为散射光，无方向性，因此可见光信号从LED发出后，有的经过 L0S链路直接到达接收端，有的将会经过天花板、墙壁、障碍物等的反射和折射才能到达接 收端。可见光信号在经过不同的传输路径之后将会产生传输时延，从而形成多径效应，并最 终产生码间干扰和延迟失真，影响接收端对可见光信号接收的质量。且VLC系统提供调光 功能，在发送端使用脉冲调制，在经由不同传输路径之后会产生码间干扰。如何抑制码间干 扰成为研究者的一大难题。信道均衡技术可用于对抗码间干扰。在无线电通信系统中，信 道均衡技术已经十分成熟，然而对于可见光通信系统来说，信道均衡技术尚处于研究阶段。 综上所述，可见光通信系统中的均衡技术需要做进一步的研究。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，提出了一种明显减小码间干扰，降低误码率，提高系统可以 达到的传输速率，并且缩短训练时长，降低系统复杂度的用于室内可见光通信系统的神经 网络均衡方法。本发明的技术方案如下：一种用于室内可见光通信系统的神经网络均衡方 法，所述可见光通信系统包括信号发送端A、光无线通信信道B和信号接收端C，信号发送端 A包括编码模块、调制模块、LED驱动模块、Bias-Tee信号耦合模块和LED光源模块，信号接 收端C包括光电检测模块、信号放大滤波模块、GA-ANN均衡模块、判决模块和信号解调解码 模块，所述神经网络均衡方法包括以下步骤：
[0006] 在信号发送端A，首先，数据源的待发送数据发送给编码模块进行编码；然后编码 模块的输出信号发送给调制模块进行调光，调制模块完成对信号调光后，发送给Bias-Tee 信号耦合模块，Bias-Tee信号耦合模块从LED光源模块输出，即发射可见光信号；所述可见 光信号经过可见光无线信道B被接收端的光电探测器接收；
[0007] 在信号接收端C，光电探测器接收可见光信号后将微小的幅度变化量转换为电信 号，然后将该放大滤波后的电信号输入一个基于遗传算法改进的人工神经网络信道均衡器 GA-ANN进行光信号的序列恢复训练，并经过信号判决模块的判决、解调解码模块的解码之 后输出数据。
[0008] 进一步的，所述基于遗传算法改进的人工神经网络信道均衡器GA-ANN的输入层 采用系列的延迟线抽头，信息处理发生在隐层，隐层由多个神经元组成，这些神经元并行， 且每个神经元都与输入层的所有抽头相连接，具体为：
[0009]A1、离散的接收信号表示为：
其中，匕为无噪声的信道 输出，叫是加性高斯白噪声，hn是由天花板弹跳模型给出的信道抽头；L阶的均衡器有L个 等距延迟为t的抽头；
[0010] A2、把信道输出写成向量模式：Y1= [yiyi . .yiU1]T根据输出向量Yi，均衡器把接 收向量分类成这两类中的其中之一：二进制"〇"和二进制" 1"，对接收符号划判决边界。
[0011] 进一步的，所述基于遗传算法改进的人工神经网络信道均衡器GA-ANN进行光信 号的序列恢复训练采用多层感知机，并且使用反向传播BP算法进行学习训练，具体包括：
[0012] B1、初始化权重为小于设定值M(例如M= 1)和阀值小于N(例如N= 1)的随机 数；
[0013] B2、指定输入向量x(n)和期望得到的输出向量d(n);
[0014] B3、根据输入向量集算出实际的输出向量y(n)，然后计算出成本函E(n);
[0015]B4、采用遗传算法优化神经元之间的权值和阈值，返回步骤B2。
[0016] 进一步的，步骤B4采用遗传算法优化初始神经元之间的权值和阈值，具体包括：
[0017]C1、建立初始化的BP神经网络，并设置参数，包括隐含层和输出层的神经元数目 (例如，隐层使用6个神经元，输出层1个神经元），隐含层传递函数为tansig，输出层激活 函数为logsig，训练函数为trainscg，并对神经元的初始化权值和阈值进行实数编码，作 为GA的染色体；
[0018]C2、将预测数据与期望数据之间的误差作为适应度函数，计算每个个体的适应度 函数值，其中适应度函数
0P1S输入第P个训练样本时第i个节点的 输出值，dpi为期望的输出值，n为输出层神经元个数，k为训练集合的大小；
[0019] C3、进行遗传操作，即选择、交叉、变异，产生新的种群，其中选择概率？3= 0.9,交 叉概率匕=0. 2,变异概率P"= 0. 6 ;
[0020] C4、遗传算法结束之后，解码得到最佳神经元初始化权值和阈值，建立最佳BP神 经网络用于训练，并最终判决输出。
[0021] 本发明的优点及有益效果如下：
[0022] 本方法在可见光无线通信系统的接收端使用基于遗传算法改进的人工神经网络 信道均衡技术。采用人工神经网络（ANN)线性均衡器或人工神经网络判决反馈均衡器从接 收到的光功率信号中恢复发送序列，减小码间干扰，改善误码率；并利用遗传算法（GA)对 人工神经网络中神经元之间的初始化权值和阈值进行优化，加快收敛速度，减小稳态剩余 误差以及误差函数陷入局部极小值的可能性；
[0023] 人工神经网络信道均衡是一种自适应的盲均衡方法，用于可见光通信系统中，它 通过对直接检测的接收光功率信号光电转换之后的采样序列进行训练，并最终判决输出， 具体包括：
[0024] 基于多层前馈ANN网络的线性信道均衡器：信号在经过放大采样之后，再被送入 基于遗传算法的人工神经网络线性均衡器，最后经过判决输出最终的信号；
[0025] 能够有效地减小可见光通信系统中由于多径效应所引发的码间干扰，降低误码 率，提高系统可以达到的传输速率，并且缩短训练时长，在保证通信质量的同时有能够降低 系统复杂度。
【附图说明】
[0026] 图1是本方法的系统框图；
[0027] 图2为VLC等效系统框图；
[0028] 图3为室内可见光通信系统模型图；
[0029] 图4为单个LED灯的系统模型图；
[0030] 图5为神经元示意图；
[0031] 图6为前馈多层神经网络连接图；
[0032] 图7为基于人工神经网络的线性均衡器的结构图；
[0033] 图8为基于人工神经网络的判决反馈均衡器的结构图；
[0034] 图9为遗传算法优化神经网络权值流程图；
【具体实施方式】
[0035] 以下结合附图，对本发明作进一步说明：
[0036]图1为本发明所述方法的系统框图，如图所示，可见光通信系统包括信号发送端 A、光无线通信信道B和信号接收端C。
[0037] 信号发送端A由编码模块、调制模块、LED驱动模块、Bias-Tee信号耦合模块和LED 光源模块组成。在信号发送端，白光LED驱动模块的输出端与Bias-Tee信号耦合模块的直 流输入端相连，信号调制模块A2的输出端与Bias-Tee信号耦合模块的交流输入端相连。首 先，输入数据经过编码模块，然后输出。编码模块可能包含信源编码和信道编码，也可能只 包含信道编码，看具体的需求而定，而信道编码的方式可以是卷积编码、Turbo编码，也可以 是LDPC编码；其次，编码模块的输出信号输入调制模块，因为可见光通信系统需要同时提 供照明和数据传输的功能，所以调光功能对于VLC来说是不可或缺的基本功能，考虑到VLC 系统使用的是LED光源，所以调光功能可以在调制模块A1中实现，具体参见图2;然后，输 出信号经过Bias-Tee信号耦合模块之后，从LED输出，即发射可见光信号；
[0038] 在经过了可见光无线信道B之后被光电探测器接收，可见光无线通信信道为多径 信道，信号将会被反射，会产生时延扩展。
[0039] 信号接收端C由光电检测模块、信号放大滤波模块、GA-ANN均衡模块、判决模块、 信号解调解码模块组成。在信号接收端，在光电探测器（photo-detector)接收光信号之前 会经过一个光滤波器和光聚能器，然后信号被ro接收，转化为电信号；在经过放大、滤波采 样之后，被输入一个基于遗传算法改进的人工神经网络信道均衡器，在判决、解调解码之后 输出数据。在这里使用信道均衡器是为了改善系统的误码率性能，并且同时也能够降低系 统的功率需求，这对于小功率的终端应用来说也是非常重要的。
[0040] 图2,图2为可见光通信系统的等效系统框图，如图所示，信号在经过编码之后要 经过调制器A1。首先，信号经过M-2-PAPM调制器al之后生成随幅度和位置变化的周期脉 冲波形；然后输入脉冲宽度调制器a3,这里假设调光目标a2已知，如果调光速率为0. 5,则 脉冲宽度为符号周期的一半。设x(t)和y(t)分别表示发送光信号cl和接收光信号c4， ro产生与接收到的瞬时功率成正比的光电流。经过放大、滤波、采样之后的接收光信号c4 被送入均衡模块，首先经过GA-ANN线性均衡器c5,然后输入判决模块c6,如果信道失真严 重，c5的信息需要反馈给c6,即使用GA-ANN判决反馈均衡器。
[0041 ] 接收到的平均光功率可以表示为：
[0042]
[0043] 在这个系统模型中仍然采用朗伯特辐射格局，LED和之间的直射视距光信道直 流增益H(0)可以表示为：
[0044]
[0045] 其中m为光源的朗伯特辐射模式；A为光电探测器的接收面积；d是发射