四色可见光通信系统的预编码和驱动电流联合优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线光通信的技术领域，尤其涉及一种四色可见光通信系统的预编码 和驱动电流联合优化方法。
【背景技术】
[0002] 由于LED的低成本，长寿命和高功效，在现如今照明市场中LED正在迅速占据主要 地位，替换了传统的照明设备。同时LED的快速切换能力也使得通过光传递宽带信号成为 一种可能，并最终实现了室内可见光通信（VLC)。尽管使用磷激发白光LED的高速VLC系统 已经实现，但是LED有限的调制带宽依然是VLC继续发展的一个瓶颈。因此，光的多输入多 输出（0MHTO)的应用成为了未来继续提升VLC性能的一个重要因素。
[0003] 实现光的多输入多输出（omhto)系统主要有两种途径，空间多输入多输出 (SM頂0)和色域多输入多输出（CM頂0)。SM頂0信道主要是通过LED阵列在接收端阵列 上成像实现；CMHTO信道由不同颜色光的波分复用产生。由于指定色温的照明白光可以通 过不同的基色按一定的比例合成，在色域空间中相互平行的波分复用信道就得以存在。
[0004] 相比于红绿蓝（RGB)三色LED，一种新的多色LED设备逐渐出现在VLC通信系统 中。四色LED，通常由红绿蓝黄（RGBA)四种颜色组成，不仅仅比RGB三色LED多了一个波分 复用信道，而且在指定的色温下合成白光，RGBA四色LED有精确调节混合光显色指数（CRI) 的能力。基于此，VLC通信系统传输速率得到提高的同时，也可以很好地兼顾室内照明的需 求。
[0005] 与传统的射频不同，由于LED的驱动电流必须是单极性信号，这就导致LED的范围 约束极为复杂。在VLC通信场景下，已有一些工作考虑预编码矩阵和驱动电流的联合优化 设计。特别的，通过将LED动态范围约束近似为二次约束，有研究者提出通过半正定规划 (SDP)的方法来解决预编码矩阵和偏置电流的联合优化问题。
[0006] 当色光数目超过3时，考虑显色指数（CRI)约束，把非常复杂的非线性的CRI约束 引入到预编码矩阵和偏置电流的联合优化问题中是一个很大的挑战。已有的工作只讨论了 RGB三色LED通信系统下的优化，然后当色温CT被指定后，显色指数就不能进行调节，不能 很好的满足室内照明的需求。
[0007]另外，现有的工作大多只考虑数据流数目与实际物理信道数目相等时，对预编码 矩阵及偏置电流进行优化。当数据流数目小于实际物理信道数目时，针对目标VLC系统的 估计信号的均方误差（MSE)将会得到更好的性能。
【发明内容】
[0008] 技术问题：本发明提供一种能够在室内照明条件（CT，CRI)的约束下，求得最优的 预编码矩阵和偏置电流，使得四色可见光通信系统的估计信号的均方误差最小化，同时适 用于数据流数小于实际物理信道数时情况的四色可见光通信系统的预编码和驱动电流联 合优化方法。
[0009] 技术方案：本发明的四色可见光通信系统的预编码和驱动电流联合优化方法，遍 历满足色温约束和显色指数约束的黄光LED的功率a对应的所有可行域[ada ,]，得到 所有与a的可行域[apa』对应的局部最优预编码矩阵，从中选取对应于最小均方误差 的局部最优预编码矩阵作为四色可见光通信系统的最优预编码矩阵匕#，选取对应于最小 均方误差的局部最优驱动电流作为四色可见光通信系统的最优驱动电流
[0010] 其中对功率a每个可行域进行处理，确定与可行域[a a』对应局部最优预编 码矩阵的具体步骤为：
[0011] (1)根据下式所示的色温约束，选取可以混成白光的初始驱动电流b(o):
[0012] KDb (0) = a (jCi+q
[0013] 其中，K为将同色LED集合在一起的转换矩阵，D为LED驱动电流向量与光强向量 的转换系数，a。为初始黄光LED的功率，c i、c2分别为四色混白光时各单色LED功率与黄光 LED功率的一次项转换系数和常数项转换系数；
[0014] (2)首先根据四色可见光通信系统的信道矩阵H和初始驱动电流b (0)，得到由预 编码和驱动电流联合优化的目标函数、非负约束条件、色温与显色指数组成的照明约束条 件、数据流数导致的秩约束条件，
[0015] 然后根据所述目标函数和约束条件，建立预编码和驱动电流联合优化的模型，忽 略Rank (?= K这一秩约束条件，利用半正定规划问题的求解方法，获得局部的最优预编码 协方差矩阵Q和最优驱动电流b ;
[0016] (3)判断初始驱动电流b(0)和最优驱动电流b是否相等，若相等则记录局部最优 预编码协方差矩阵Q和最优驱动电流b，进入步骤（4)，否则，令b(0) =b，并返回步骤（2);
[0017] (4)根据最优预编码协方差矩阵，列出一系列满足非负约束条件且协方差矩阵为 局部最优预编码协方差矩阵Q的高斯随机矩阵:
[0018] (5)计算所列出的高斯随机矩阵A对应的均方误差，从中选取对应于最小均方误 差的随机矩阵作为局部最优预编码矩阵F。
[0019] 进一步的，所述照明约束条件由下式确定：
[0020]
[0021] 其中，b为驱动电流。
[0022] 所述秩约束条件由Rank(? = K确定，其中Q为预编码协方差矩阵，K为数据流数。
[0023] 进一步的，所述步骤（4)中的高斯随机矩阵根据下列步骤选取：
[0024] 1)产生一个4NKX 1随机的高斯向量
[0025] f;.卿:J:).
[0026] 2)根据下式计算新的预编码矩阵|;
[0027]
[0028] 3)从所述新的预编码矩阵f的每一行选取高斯随机矩阵A如下：
[0029]
[0030] 其中，s为发射信号的幅度，h为驱动电流b的第i个元素，ef为单位矩阵的第i 行。
[0031] 本发明方法所针对的四色可见光通信系统发射端由N组红、绿、蓝、黄（RGBA)四 色LED组成，信号由混光透镜混成白光进行发射，经成像透镜映射到与之对应的由N组光 电二极管阵列组成的接收端进行接收信号s采用M进制PAM调制，任意元素 ％的范围是 [_ S，5 ]，^与s j之间的协方差矩阵为
[0032]
[0033] (1)所述四色可见光通信系统获得发射端和接收端的信道信息构成信道矩阵H :
[0034] (2)选取满足色温约束和显色指数约束的黄光LED的功率a的一个连续的可行域
[ai，a .j] 〇
[0035]四色可见光通信系统获得发射端和接收端的信道信息构成信道矩阵豆，由色域 M頂0信道矩阵H。和空间M頂0信道矩阵H s的克罗内克积确定：
[0036] H=
[0037] 其中，元素[扎一表示从第j色LED发射到第i色接收机的增益，元素[H丄;表示 从第j组四色LED到第i组光电二极管阵列的增益；
[0038] 色温和显色指数约束由下式确定：
[0039]
[0040]其中，[a;，aJ为满足色温和显色指数约束的黄光LED的功率a的一个连续的 可行域，（^、(：2为四色混白光时各单色LED功率与黄光LED功率的转换系数，D为LED驱动 电流向量与光强向量的转换系数，K为将同色LED集合在一起的转换矩阵；
[0041] 根据色温约束，选取可以混成白光的初始驱动电流b(0)，其中每个元素定义为加 载在第i个LED上的驱动电流初始值，b (0)由下式选取：
[0042] KDb(0) =a
[0043] 其中，a。为初始黄光LED的功率；
[0044]根据信道矩阵泪:和初始驱动电流b(0)，得到预编码和驱动电流联合优化的目标 函数、非负约束条件和色温、显色指数等照明约束条件，建立预编码和驱动电流联合优化模 型，获得局部的最优预编码协方差矩阵Q和最优驱动电流b，所述联合优化模型为：<