可见光双层叠加传输系统及方法与流程

本发明涉及可见光成像通信领域，尤其涉及一种可见光双层叠加传输系统及方法。

背景技术：

可见光通信凭借其宽带高速、广泛覆盖、无电磁干扰等优势，一经问世便受到了国内外众多研究学者的广泛关注。随着人们研究的不断持续与深入，发现led(lightemittingdiode，发光二级管)调制带宽窄与非线性是制约可见光通信高速发展的主要因素。众所周知，mimo(multipleinputmultipleoutput，多输入多输出)系统能够在不增加系统带宽与发送功率前提下成倍提升系统的性能，而室内照明的多灯具特性与灯具内多led灯珠的优势，为可见光mimo技术的发展天然创造了有利条件。此外，受现代制造业高速发展的驱动，智能手机在日常生活中的使用愈加趋向于普及化与多用化。依托现有led照明系统与智能手机构成的可见光成像mimo通信系统，能够在不增加额外硬件开销的基础上，有效地实现数据信息的传输，从而为人们的生活、出行等带来极大的便利。然而由于可见光通信采用强度调制/直接检测技术，因此即使采用相机作为接收端进行成像接收，可见光mimo信道仍然不可避免的存在一定的信道相关性。

为了克服信道相关性所造成的影响，通常采用的mimo技术有sm技术和rc技术。其中，rc技术是一种低有效性但高可靠性的传输技术，同时rc技术能够较好的兼顾照明需求；sm技术能够实现较高的传输速率，但由于其每传输时隙仅利用有限数量的led灯珠，因此难以满足照明用灯均匀性的要求。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种可见光双层叠加传输系统及方法，以使既能满足均匀照明，又能克服信道相关性的影响。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种可见光双层叠加传输系统，包括发送端及接收端，所述发送端包括编码模块及发送可见光信号的led阵列，接收端包括解码模块及接收可见光信号的相机；

编码模块将包含两种不同属性数据的待发送信息分为两层进行传输的映射，其中，低速率传输数据分配至上层并进行rc映射完成上层传输的映射，高速率传输数据分配至下层并进行sm映射完成下层传输的映射；将映射后的上层及下层数据经过ook进行调制，调制得到上层及下层的传输信号，上层及下层数据的调制幅度分别为±α与±β，且映射关系为：将上层与下层的传输信号进行线性叠加得到叠加信号；将叠加信号添加直流偏置后驱动led阵列发送对应的可见光信号；

解码模块将相机拍摄的led阵列图像进行处理得到非负性信号；将非负性信号进行去直流操作，还原得到双极性信号；通过ml译码准则进行检测译码，还原得到包含两种不同属性数据的待发送信息。

相应地，本发明实施例还提供了一种可见光双层叠加传输方法，应用于上述的可见光双层叠加传输系统，包括：

步骤1：将包含两种不同属性数据的待发送信息分为两层进行传输的映射，其中，低速率传输数据分配至上层并进行rc映射完成上层传输的映射，高速率传输数据分配至下层并进行sm映射完成下层传输的映射；

步骤2：将映射后的上层及下层数据经过ook进行调制，调制得到上层及下层的传输信号，上层及下层数据的调制幅度分别为±α与±β，且映射关系为：

步骤3：将上层与下层的传输信号进行线性叠加得到叠加信号；将叠加信号添加直流偏置后驱动led阵列发送对应的可见光信号；

步骤4：将相机拍摄的led阵列图像进行处理得到非负性信号；将非负性信号进行去直流操作，还原得到双极性信号；通过ml译码准则进行检测译码，还原得到包含两种不同属性数据的待发送信息。

本发明实施例通过提出一种可见光双层叠加传输系统及方法，所述系统包括编码模块、led阵列、解码模块及相机，通过采用两时隙联合传输机制将两种不同属性的信息分为两层进行传输，解决了实现较高传输速率时难以满足均匀照明的问题，进而达到了既能满足均匀照明，又能克服信道相关性影响的技术效果。

附图说明

图1是本发明实施例的可见光双层叠加传输系统的结构示意图。

图2是本发明实施例的可见光双层叠加传输系统的数据处理过程示意图。

图3是本发明实施例的传输帧结构示意图。

图4是本发明实施例的可见光双层叠加传输方法的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中若有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参照图1，本发明实施例的可见光双层叠加传输系统包括发送端及接收端，所述发送端包括编码模块及发送可见光信号的led阵列，接收端包括解码模块及接收可见光信号的相机。

请参照图2，编码模块将包含两种不同属性数据的待发送信息分为两层进行传输的映射，其中，低速率传输数据分配至上层并进行rc(repetitioncode，重复编码)映射完成上层传输的映射，高速率传输数据分配至下层并进行sm(spatialmodulation，空间调制)映射完成下层传输的映射；将映射后的上层及下层数据经过ook(on-offkeying，二进制启闭键控)进行调制，调制得到上层及下层的传输信号，上层及下层数据的调制幅度分别为±α与±β，且映射关系为：将上层与下层的传输信号进行线性叠加得到叠加信号；将叠加信号添加直流偏置后驱动led阵列发送对应的可见光信号。本发明实施例将数据分为两层传输两种属性的数据，其中上层采用rc技术，下层采用sm技术，能够克服信道相关性的影响；此外，本发明实施例采用多层编码叠加技术满足不同距离的通信要求，同时实现了单个灯具内多个led灯珠进行多属性信息数据的传输。

作为一种实施方式，led阵列包括nt个led灯珠，nt＝m×n；所述编码模块在进行sm映射中，从nt个led灯珠中选取p个灯珠传输数据，因此有种选择，但由于信息传输需满足2的幂次方的关系，所以利用sm技术的空间信息能够传输的信息比特数本发明实施例利用单个灯具内的多个灯珠进行通信，能够满足照明与通信的双重需求。

作为一种实施方式，如图3所示，编码模块将每比特传输数据采用两时隙联合传输机制进行线性叠加，采用如下公式分别计算得到第k时隙和第k+1时隙的叠加信号：

s[k]＝a[k]+b[k]；s[k+1]＝a[k+1]+b[k+1]；

采用如下公式分别计算得到添加直流偏置后第k时隙和第k+1时隙的驱动信号：

s′[k]＝s[k]+c；s′[k+1]＝s[k+1]+c；

其中，a[k]为第k传输时隙调制后的上层的传输信号，a[k]∈r^m×n；b[k]为第k传输时隙调制后的下层的传输信号，b[k]∈r^m×n；第k+1传输时隙，上层的传输信号为k时隙的反转信号，即a[k+1]＝-a[k]，下层传输信号与k时隙相同的信号，即b[k+1]＝b[k]；c为直流分量。本发明实施例采用两时隙联合传输机制，不仅能够便于接收端实现发送信源的检测，而且有利于接收端实现双层叠加信号的分离；此外，本发明实施例还可以得到各属性数据的信息传输速率：

其中和分别表示上层和下层的数据传输速率。

请参照图2，解码模块将相机拍摄的led阵列图像进行处理得到非负性信号；将非负性信号进行去直流操作，还原得到双极性信号；通过ml(maximumlikelihood，最大似然)译码准则进行检测译码，还原得到包含两种不同属性数据的待发送信息。本发明实施例采用ml译码准则完成双层信号的译码，使本发明的译码复杂度较低，且具有最优的译码性能。

叠加信号经过无线光链路衰减后被相机检测接收，各led灯珠发送的信号会被相机上的一个或多个像素点检测接收，而接收到的信号经图像处理后可转换为与led阵列具有相同规模大小的矩阵，图像处理后的非负性信号进行去直流操作还原为双极性信号。作为一种实施方式，解码模块采用如下表达式分别计算得到在k时隙和k+1时隙所接收到的双极性信号y[k]和y[k+1]：

y[k]＝h·s[k]+n；y[k+1]＝h·s[k+1]+n；

其中，h为训练序列得到的信道矩阵，s[k]和s[k+1]为发送非负信号列矢量，其分别由信号矩阵s[k]和s[k+1]经过行矢量化操作得到；n为均值为0且方差为的高斯白噪声；

采用如下表达式计算得到接收的各层数据在ml译码准则下的最优判决：

其中，||||f表示f-范数，将上式化简得到等价表达式如下：

采用如下表达式分别计算得到接收的各层数据的判决：

其中a为接收的上层低速率传输数据的判决(即待发送信息的低速率传输数据的二进制比特数据的估计)，b为接收的下层高速率传输数据的判决(即待发送信息的高速率传输数据的二进制比特数据的估计)；表示nt×1的全1列矢量；tr()表示矩阵的迹，为所述上层的传输信号的星座集，为所述下层的传输信号的星座集。

作为一种实施方式，当相机成像距离位于预设范围内且成像的led阵列图像质量达到预设阈值时(例如，接收端成像距离适宜且成像效果较好时)，则将接收的各层数据的判决表达式分别简化为如下公式进行计算：

本发明实施例采用的设计方案结构简单，同时译码复杂度较低，译码性能较好，可应用于现有的led绿色照明资源和智能手机终端，以及在路灯、广告屏、商场等诸多场景均能够得到较好的应用，为人们的生活提供极大地便利。

请参照图4，本发明实施例的可见光双层叠加传输方法，应用于上述的可见光双层叠加传输系统，包括：

步骤1：将包含两种不同属性数据的待发送信息分为两层进行传输的映射，其中，低速率传输数据分配至上层并进行rc映射完成上层传输的映射，高速率传输数据分配至下层并进行sm映射完成下层传输的映射；

步骤2：将映射后的上层及下层数据经过ook进行调制，调制得到上层及下层的传输信号，上层及下层数据的调制幅度分别为±α与±β，且映射关系为：

步骤3：将上层与下层的传输信号进行线性叠加得到叠加信号；将叠加信号添加直流偏置后驱动led阵列发送对应的可见光信号；

步骤4：将相机拍摄的led阵列图像进行处理得到非负性信号；将非负性信号进行去直流操作，还原得到双极性信号；通过ml译码准则进行检测译码，还原得到包含两种不同属性数据的待发送信息。

作为一种实施方式，步骤1进行的sm映射中，从nt个led灯珠中选取p个灯珠传输数据，其中，nt为led阵列的led灯珠数量，nt＝m×n。

作为一种实施方式，步骤3中：

将每比特传输数据采用两时隙联合传输机制进行线性叠加，采用如下公式分别计算得到第k时隙和第k+1时隙的叠加信号：

s[k]＝a[k]+b[k]；s[k+1]＝a[k+1]+b[k+1]；

采用如下公式分别计算得到添加直流偏置后第k时隙和第k+1时隙的驱动信号：

s′[k]＝s[k]+c；s′[k+1]＝s[k+1]+c；

其中，a[k]为第k传输时隙调制后的上层的传输信号，a[k]∈r^m×n；b[k]为第k传输时隙调制后的下层的传输信号，b[k]∈r^m×n；第k+1传输时隙，上层的传输信号为k时隙的反转信号，即a[k+1]＝-a[k]，下层传输信号与k时隙相同的信号，即b[k+1]＝b[k]；c为直流分量。

作为一种实施方式，步骤4中：采用如下表达式分别计算得到在k时隙和k+1时隙所接收到的双极性信号y[k]和y[k+1]：

y[k]＝h·s[k]+n；y[k+1]＝h·s[k+1]+n；

其中，h为训练序列得到的信道矩阵，s[k]和s[k+1]为发送非负信号列矢量，其分别由信号矩阵s[k]和s[k+1]经过行矢量化操作得到；n为均值为0且方差为的高斯白噪声；

采用如下表达式计算得到接收的各层数据在ml译码准则下的最优判决：

其中，||||f表示f-范数，将上式化简得到等价表达式如下：

采用如下表达式分别计算得到接收的各层数据的判决：

其中a为接收的上层低速率传输数据的判决，b为接收的下层高速率传输数据的判决；表示nt×1的全1列矢量；tr()表示矩阵的迹，为所述上层的传输信号的星座集，为所述下层的传输信号的星座集。

作为一种实施方式，当相机成像距离位于预设范围内且成像的led阵列图像质量达到预设阈值时，则将接收的各层数据的判决表达式分别简化为如下公式进行计算：

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。