可见光通信信号星座设计方法、装置及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请属于无线通信技术领域，尤其是，设及一种可见光通信信号星座设计方法、 装置及系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着固态照明技术(Sol id-state light ing)的发展，特别是LED (Li曲t-emitting diode,发光二极管）的大规模商用，作为一种新兴的无线通信方式，可见光通信 技术，是指利用巧光灯或LED发出的肉眼感觉不到的高速明暗闪烁的光信号来传输数据信 息的通信方式。运种方式采用人体长期接触的光作为传输媒介，因而与传统的无线射频信 号相比，没有福射伤害，且具有弥补无线射频带宽拥挤不足的巨大优点，因此日益受到人们 的关注。
[0003] 对于室内可见光通信，如果采用Lm)作为光源，并采用大面积的PD作为接收器，如 果接收端采用滤光片和透镜增强接收效果，接收端接收到的有效光强分布满足公式（1)示 出的朗伯福射模型：
[000引其中，虹是朗伯模数，d)是光的福射角度，Pt是发送光功率，Ar是接收端有效接收面 积，d是灯源与PD的距离(1，4是?0接收光的角度，W。是PD的F0V(Field Of View,视场角）大 小。基于上述公式（1)，室内可见光通信信道信息(CSI)依据朗伯福射模型可建模为公式(2) 所示：
[0007] 由于室内可见光通信信道状态变化很缓慢，一般情况下人们将其认为是静态不变 的。此外，由于单个L邸发光功率有限，室内布局多采用多灯源的方式来获得足够的亮度。因 此，室内可见光通信系统天然是一个多输入多输出（Multiple I叩UtMultiple Output, MIMO)系统，运意味着可W同时使用多个灯源和接收端来进行多路信号的传输，W进一步提 高通信速率。
[0008] 在此前提下，如果可见光通信信号仍采用传统无线电领域的脉冲幅度调制方式 (Pulse Ampli化de Modulation，PAM)，则因为LED的单项导电性，导致可见光通信信号必须 满足非负性要求。但是在现有技术中，人们只是通过对PAM信号进行直流偏置的叠加，来使 光通信信号满足非负性的要求，然而采用运种方式其功率效率非常低下，从而无法最优化 的实现系统通信性能。
【发明内容】
[0009] 本申请公开了一种可见光通信信号星座设计方法、装置及系统，W便于解决采用 现有技术无法实现系统通信性能的最优化的问题。
[0010] 为解决上述问题，公开了 W下技术方案：
[0011] -种可见光通信信号星座设计方法，适用于可见光通信系统，包括：
[001引依据朗伯福射模型，可见光通信系统的通信模型y = Hx + n和信号空间矩阵
,确定信号星座的光发送总功率约束条件为
[001引其中，y为接收信号矢量，H为信道矩阵，X = (?,?，…，f为发送信号矢量，n 为零均值、协方差矩阵为。的加性高斯白噪声矢量，Nt为所述可见光通信系统的灯源 个数和Nr为所述可见光通信系统的接收端个数，M的取值为大于2的正整数，Sji含0，1 < i < M，l< j<Nt;
[0014] 基于所述通信模型发送训练序列估计所述可见光通信系统的信道矩阵H;
[0015] 对所述信道矩阵H进行奇异值分解H = U AyT,获取信道的特征参数矩阵A和V，其 「C徽巧.一si琴1 「巧- 中，A =diag{Ai,入2}，入1 >入2 > 0且入1辛0, V二 ，餐€ 0，一，入1、入2和 sinf) GOS 皆」 L 2_ 庐为所述信道特征参数，由所述特征参数矩阵V的角度旋转效果可知信号星座点的可行域 从第一象限旋转至第一和第二象限之间，获得角度旋转后的信号星座空间矩阵为
[0017] 基于所述角度旋转后的信号星座空间矩阵结合所述特征参数矩阵A，获取接收端 任意两个星座点之间的待优化欧式距离，其表达式为巧：,=k (机1 -.执+ (>,;(名:，-知,})'， 其中，l<k<l<M;
[0018] 在所述信道特征参数和得的不同取值范围下，结合非负性约束条件对所述待 优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布。
[0019] 优选的，在所述信道特征参数、、A2和庐的不同取值范围下，结合非负性约束条件 对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布，包括：
[0020] 当所述信道特征参数Al ^ A2>0 时，对所述待优化欧式距离
进行参数转换，得到星座点
星座点
i 其中，日 kie[-3i，3T]，l<k<l<M;
[0021 ] 将所述信号星座中的所有星座点用gi表示，得到 其中，k'=2，...，M;
[0022] 基于所述信号星座中的星座点，得到当前所述可见光通信系统的第一非负性约束 fVg, >0 条件为' 1 、 ，其中，k'=2,…，M;
[Vgi > -Vt,,
[0023] 基于所述信号星座中的星座点坐标，得到当前所述可见光通信系统的光发送总功 率约束条件为
，其中，12表示长度为2的全1列矢量；
[0024] 在所述第一非负性约束条件下，依据所述信号星座中的所有星座点，获取接收端 任意两个星座点之间的第一优化欧式距离/?二/? +/? -2A，i〇/iC〇s(at, 其中，2<k'<l<M;
[002引基于所述第一优化欧式距离1? = 1? + 2? -21?!? cosj^c% - %)，确定 所述可见光通信系统中信道特征参数、含^2>0，
时的信号星座优化分布。
[0026] 优选的，在所述信道特征参数Ai、A2和終的不同取值范围下，结合非负性约束条件 对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布，包括：
[0027] 当所述信道特征参数Ai> As = O，<
时，对所述待优化欧式距离 成二的(复1/,-复1/F +拓(各化-各2/))2进行简化，得到確=W容化-各U))2 [002引使致1 = ，根据所述1? -gulf得到所述信号星座中的 星座点；
，其中，k/=2,…，M;
[0029]基于所述信号星座中的星座点二各1,; j'，
和初始非负性 约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第二非负性约束条件为 <《化含〇 ,k = h…，献; I客：^-^―容化化打^
[0030] 在所述第二非负性约束条件下，依据所述信号星座中的星座点容M = ,I^jn U^i/J \SkiSiM. 和
，获取接收端任意两个星座点之间的第二优化欧式距离
M. Z化1誓-乂1始各U +A戶r COS口，其中，k' =2,… F -.2 M
[0031] 基于所述第二优化欧式距离〇n <-本始斯1 +為尽COS梦，确定所述可见光通 左'一2: 信系统中信道特征参数、>^2 = 0，
时的信号星座优化分布。
[0032] 优选的，在所述信道特征参数Ai、A2和资的不同取值范围下，结合非负性约束条件 对所述待优化欧式距离进行处理，获得不同情况下对应的信号星座优化分布，包括：
[0033] 当所述信道特征参数Ai>A2 = 〇，
时，对所述待优化欧式距离 鸿二(乂1 (各IA--各1/ ))- + (乂2 (各2A--抗/ ))-进行简化，得到化=W各IA- - &/化；
[0034] 使g ,二思适tex-}，对所述/?二扣筑-Si/公2进行解析，得到所述信号星 座中的其他星座点
，其中，k/=2,…，M;
[0035] 基于所述信号星座中的星座点各11 = min {斯/^'!>， 和初始非负性 \<k<M ^ ) 约束条件，得到当前所述可见光通信系统的第=非负性约束条件为f ，k= 1?*《泣I-COt咨 1，...，M;
[0036] 在所述第兰非负性约束条件下，获取依据所述信号星座中的星座点 按1 = {各1A-}和；
，获取接收端任意两个星座点之间的第S优化欧式距
,M 离玄瑪'1备-A雌11 +聲戶r Sin庐，其中 k'-i M.
[0037] 基于所述第S优化欧式距离< -ijM各U + /liPr sin ，确定所述可见光通 r-2 信系统中信道特征参数、>^2 = 0
时的信号星座优化分布。
[0038] -种可见光通信信号星座设计装置，适用于可见光通信系统，包括：
[0039] 光发送总功率约束条件确定单元，用于依据朗伯福射模型，可见光通信系统的通 信模型y =化+n和信号空间矩阵
，确定信号星座的光发送总 功率约束条件为
[0040] 其中，y为接收信号矢量，H为信道矩阵，X二(乂^乂2,??'，尤为发送信号矢量，n 为零均值、协方差矩阵为口的加性高斯白噪声矢量，Nt为所述可见光通信系统的灯源 个数和Nr为所述可见光通信系统的接收端个数，M的取值为大于2的正整数，Sji含0，1 < i < M，l< j<Nt;
[0041] 信道矩阵获取单元，用于基于所述通信模型发送训练序列估计所述可见光通信系 统的信道矩阵H;
[0042] 分解单元，用于对所述信道矩阵H进行奇异值分解H=U AyT,获取信道的特征参数 矩阵A和V，其中，A =diag{:入1，入2}，入1>入2>〇且入1辛0, V = COS口 wn。，野€化互， Sin^ €08.解.」 L 2 一 入1、^和^??为所述信道特征参数，由所述特征参数矩阵￥的角度旋转效果可知信号星座点可 行域从第一象限旋转至第一和第二象限之间，获得角度旋转后的信号星座空间矩阵为
[0043] =始，豁，..Vg