一种基于室内MISOVLC系统最小化通信功耗的星座点优化方法与流程

一种基于室内miso vlc系统最小化通信功耗的星座点优化方法
技术领域
1.本发明涉及室内可见光通信领域，特别涉及一种基于室内miso vlc系统最小化通信功耗的星座点优化方法。


背景技术：

2.可见光通信(vlc)是靠发光二极管(led)发出的肉眼不能发觉的高速明暗闪烁信号来传输信息的一种新型无线通信方式，能够同时实现照明与通信功能。具有传输数据率高、保密性强、无电磁干扰等优点，是理想的绿色室内高速无线接入方案之一。
3.在实际照明设计中，若照明面积较大，一般会布置多个led照明设施进行照明以满足办公和生活的照明需求。这种分散的led照明分布不仅改善了室内照明，而且能够利用空间分集增益，构成miso(多输入单输出)vlc系统，提高通信性能。
4.为了提高室内miso vlc系统的通信性能并同时兼具照明需求，目前已有研究工作以降低信道最差情况下的成对差错概率为目标，优化了miso系统的光功率分配方案；此外还有学者研究了rgb-led构成的misovlc系统最大化系统能量效率的功率分配问题。
5.相较于siso vlc系统，miso vlc系统中每个led到接收机的信道增益通常是不同的，每个led光源的调光需求也可能是不同的，由于misovlc系统可能存在多个容量可达的信号星座点分布，或多个容量下界可达的信号星座点分布，因此，在容量可达或容量下界可达的约束条件下，可以通过优化每个星座点的led光源的星座点分布，进一步降低vlc系统led光源额外消耗的通信功率，使vlc系统更加节能环保。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于室内miso vlc系统最小化通信功耗的信号星座点设计方法，给出多个led光源的星座点分布方案，在保证通信性能的前提下进一步优化系统能耗。
7.根据室内miso vlc系统模型和vlc技术的信道特性，miso vlc系统的信道容量可以利用对应的siso vlc的容量进行分析计算。对应siso vlc系统将k个led阵列看作一个信号发射光源，约束条件可以根据各led到接收端信道状态信息、led器件光功率约束和调光需求计算。
8.miso vlc系统中，所有k个led光源所发出的光信号进行线性叠加后等效于对应siso系统容量可达(或逼近)的信源分布时，都是容量可达(或逼近)的信源分布。因此，容量可达(或逼近)的信号星座点分布是不唯一的，在系统容量可达(或逼近)的条件下，进一步以最小化通信功率为目标，建立半正定二次型问题，求解最优星座点分布模型，可以实现led阵列光源的最优光功率分配，从而达到节约能源与减少成本的目的。
9.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
10.一种基于室内miso vlc系统最小化通信功耗的星座点优化方法，包括以下步骤：
11.步骤1、构建室内miso vlc系统模型；
12.步骤2、将室内miso vlc系统等效为siso系统，并构建对应的siso通信系统的优化模型；
13.步骤3、根据步骤2构建的siso通信系统模型，确定其系统容量可达的星座点个数n
*
，星座点概率向量p
*
和位置向量s
*
；
14.步骤4、判断室内miso vlc系统各led光源的调光系数是否相同，即μ1＝μ2＝
…
＝μk是否成立，若成立，则转至步骤6；若不成立，则转至步骤5；
15.步骤5、构造判断矩阵c和c
υ
，若rank(c)≥rank(c
υ
)，则转步骤6；若rank(c)＜rank(c
υ
)，则转至步骤7；
16.步骤6、构建室内miso vlc系统最小化通信功率的容量可达的星座点优化模型并求解得到最优星座点分布，转至步骤9；
17.步骤7、根据步骤3得到的最优星座点个数n
*
，利用内点法求解室内miso vlc系统逼近容量的容量下界；
18.步骤8、根据步骤7所求容量下界，构建miso系统最小化通信功率的容量逼近的星座点优化模型并求解得到最优星座点分布；
19.步骤9、结束。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
21.1、本方法考虑实际光照需求，并最大限度的减少用于通信的额外能耗；
22.2、本方法模型简洁，求解复杂度低，为后续技术在此基础上拓展提供便利；
23.3、本方法提出光功率分配问题最终建模为一个二次型优化问题，求解算法成熟，求解速度快，适用于自适应调制；
24.4、本方法利用misovlc系统对应siso vlc系统求解容量可达或逼近的星座点分布，并求解最小化通信功耗的光功率分配；可以在保证通信性能的基础上降低通信功耗，节能环保且易于实现，在vlc领域具有优越的应用前景。
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
26.图1为本发明的方法步骤流程图。
27.图2为本发明中步骤3中求解siso通信系统优化模型的方法流程图。
28.图3为本发明实施例中室内miso vlc系统的通信场景示意图。
29.图4本发明实施例中给定调光系数的4
×
1miso vlc系统中，系统容量下界可达且最小化通信功率的星座点分布示意图。
具体实施方式
30.一种基于室内miso vlc系统最小化通信功耗的星座点优化方法，包括以下步骤：
31.步骤1、构建室内miso vlc系统模型，具体为：
32.步骤1-1：室内miso vlc系统有k个led阵列光源，考虑vlc通信系统中采用im/dd调制技术，且信道增益为直流增益，室内miso vlc系统接收端的信号为通过所有子信道的来自发射端led阵列的信号的叠加，即：
33.y＝h
t
x z＝h1x1 h2x2
…
hkxk z
34.其中，x＝(x1,x2,
…
,xk)
t
为发射信号；z为均值为0、方差为σ2的与信号无关的加性高斯噪声；h＝(h1,h2,
…
,hk)为信道矩阵，其元素hk(k＝1,
…
,k)表示第k个led光源到接收机的信道系数；
35.步骤1-2：确定信道矩阵h＝(h1,h2,
…
,hk)中的信道系数hk：
[0036][0037][0038]
其中，n为折射因子，m＝-ln(2)/ln(cosφ
1/2
)为led光源的朗伯辐射系数，φ
1/2
为led阵列的半功率半角，a
pd
为光电探测器的收集区域，d为发射机和接收机之间的距离，φ为led阵列的光发射角度，ψ为光电探测器的光入射角，ts(ψ)为光滤波器增益，g(ψ)为光集中器增益，ψc为接收机的视场角；
[0039]
第k个led光信号的峰值强度约束为ak，(0≤xk≤ak)，a＝(a1,
…
,ak)，这里的峰值强度ak和光信号功率xk都是归一化的，也就是ak＝ak/σ，xk＝xk/σ，其中，σ2为加性高斯白噪声功率。
[0040]
步骤1-3：根据室内的亮度需求确定k个led阵列的调光系数μ＝(μ1,μ2,
…
,μk)，0≤μk≤1，用于控制led的平均功率。
[0041]
步骤2、miso系统接收端将接收到的可见光信号等效为单发射端发射的信号，则可以对应一个siso vlc系统，这个对应siso系统的信号同样有峰值功率约束和调光约束，将室内miso vlc系统等效为siso系统，并构建对应的siso通信系统的优化模型，具体为：
[0042]
步骤2-1：将k个led阵列等效为一个光源，将室内miso vlc系统等效为siso通信系统y’＝s z，其中s＝h
t
x＝h1x1 h2x2
…
hkxk；
[0043]
步骤2-2：确定siso通信系统信号强度等效峰值as与等效调光系数μs：
[0044][0045][0046]
步骤2-3：构建siso通信系统的容量可达的星座点优化问题：
[0047][0048][0049]
容量可达的siso系统的输入变量分布s为有限离散的，因此，可以用n表示s的星座点个数，星座点位置与概率分别为用向量s＝(s1,s2,
…
,sn)与p＝(p1,p2,
…
,pn)表示；
[0050]
优化目标为：
[0051]
i(s；y)＝i(h1x1
…
hkxk；y)＝h(y)-h(z)；
[0052]
h(z)＝1/2log2(2πeσ2)
[0053][0054]
其中，n表示对应的siso系统中的星座点个数，星座点位置与概率分别为用向量s＝(s1,s2,
…
,sn)与p＝(p1,p2,
…
,pn)表示；对于给定噪声功率σ2，h(z)为一固定常数。
[0055]
步骤3、根据步骤2构建的siso通信系统优化模型，确定其系统容量可达的星座点个数n
*
，星座点概率向量p
*
和位置向量s
*
，具体为：
[0056]
步骤3-1：初始化设定，设置vlc系统光功率的峰值as、噪声功率σ2以及调光系数μs，以及各参数初始值；
[0057]
步骤3-2：利用内点法求解星座点个数为n时，最优星座点概率p
*
和位置s
*
；
[0058]
步骤3-3：判断当前解是否能达到系统的最大互信息量，若能达成最大互信息量，则进入步骤3-5，否则转入步骤3-4；
[0059]
所述判断当前解是否能达到系统的最大互信息量，具体为：
[0060]
若存在ν，同时满足以下两个条件：
[0061]
(1)使对于任意的都有下式成立：
[0062][0063]
其中
[0064][0065]
式中，fs(
·
)表示满足功率约束条件的任意可行解s
*
的概率密度函数，φ[fs(
·
)]为此时优化目标的最优值，即系统容量；
[0066]
(2)对于任意s∈[0,as]，都有
[0067]
i(si；fs(
·
))≤φ[f
x
(
·
)]-ν(μ
sas-si)
[0068]
上述两个条件同时满足，则当前解能达到系统的最大互信息量，得到容量可达的星座点分布为n
*
,p
*
,s
*
。
[0069]
步骤3-4：令n＝n 1，并转至步骤3-2；
[0070]
步骤3-5：得到能够达成系统容量的最优解n
*
＝n、p
*
、s
*
。
[0071]
步骤4、判断室内miso vlc系统各led光源的调光系数是否相同，即μ1＝μ2＝
…
＝μk是否成立，若成立，则转至步骤6；若不成立，则转至步骤5；
[0072]
步骤5、构造判断矩阵c和c
υ
，若rank(c)≥rank(c
υ
)，则容量可达，则转步骤6；若rank(c)＜rank(c
υ
)，则容量下界可达，则转至步骤7，具体为：
[0073][0074]
v＝(μ1a1,
…
,μ
kak
,s1,
…
,sn)
[0075]cv
＝[c，v]
[0076]
其中，d
hk
＝diag(hk,
…
,hk),k＝1,
…
,k为n
*
维对角矩阵，而0为n维行向量。
[0077]
步骤6、当调光系数相同μ1＝μ2＝
…
＝μk，或调光系数不同但c和c
υ
满足容量可达的必要条件rank(c)≥rank(c
υ
)时，miso vlc系统容量可以达到对应siso系统的容量。miso系统中有k个led阵列光源，当这k个led阵列光源的信号星座点分布可以对应为siso系统容量可达的星座点分布n
*
，p
*
，s
*
时，可以达到miso系统容量。
[0078]
构建室内miso vlc系统最小化通信功率的容量可达的星座点优化模型并求解得到最优星座点分布，转至步骤9，具体为：
[0079]
步骤6-1：容量可达的miso vlc系统星座点分布不是惟一的，设室内miso vlc系统的星座点分布为矩阵
[0080][0081]
其中，矩阵的各行向量表示第i个星座点对应的各led阵列光源的光强，矩阵的各列向量表示第k个led阵列的n个星座点的位置；所有满足条件的星座点分布用矩阵均是容量可达的。
[0082]
步骤6-2：构建室内miso vlc系统最小化通信功耗的容量可达的星座点优化模型：
[0083][0084][0085]
其中，p＝diag(p
*
)。
[0086]
步骤6-3：求解步骤6-2中的星座点优化模型，得到室内miso vlc系统最小化通信功耗的容量可达的星座点分布。
[0087]
步骤7、根据步骤3得到的最优星座点个数n
*
，利用内点法求解室内miso vlc系统逼近容量的容量下界，具体为：
[0088]
步骤7-1：当各led阵列光源的调光系数不同且rank(c)＜rank(cv)时，无法得到
miso系统的确切信道容量和容量可达的分布，因此构建室内miso vlc系统逼近容量的容量下界的星座点优化模型：
[0089][0090][0091]
其中，矩阵的各行向量表示第i个星座点对应的各led阵列光源的光强，矩阵的各列向量表示第k个led阵列的n个星座点的位置；
[0092]
约束条件表示第k个led光源阵列的平均光功率应满足调光需求，约束条件表示对应siso系统第i个星座点有miso系统的所有k个led光源阵列的第i个星座点组成。
[0093]
星座点个数的取值为步骤3中得到的对应siso系统容量可达的最优星座点个数n
*
。该优化模型为非凸问题，可以得到局部最优解，得到一个非常紧的容量下界。
[0094]
步骤7-2：求解步骤7-1的优化模型，得到星座点概率和位置分别表示为p
′
,对应siso系统达到容量下界的星座点分布为p
′
,s
′
，其中
[0095]
步骤8、根据步骤7所求容量下界，构建miso系统最小化通信功率的容量逼近的星座点优化模型并求解得到最优星座点分布，具体为：
[0096]
步骤8-1：在系统容量下界可达的星座点分布条件下，构建室内miso vlc系统最小化通信功率的最优星座点优化模型：
[0097][0098][0099]
其中，p
′
＝diag(p
′
)，
[0100]
步骤8-2：求解步骤8-1的优化模型，并得到室内miso vlc系统最小化通信功率的容量逼近的最优星座点分布。
[0101]
步骤9、结束。
[0102]
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的描述。
[0103]
实施例
[0104]
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各
种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
[0105]
室内miso vlc系统的通信场景如附图3所示：在空间尺寸为5m
×
5m
×
3m的典型室内房间模型中，4个led阵列布置在天花板上，接收机所在平面高度为0.85m，led阵列的坐标分别为：led1(3.75,3.75,3)，led2(1.25,3.75,3)，led3(1.25,1.25,3)，led4(3.75,1.25,3)，接收机的坐标为(2,3,0.85)。
[0106]
如图1所示，一种基于室内miso vlc系统最小化通信功耗的星座点优化方法，包括以下步骤：
[0107]
步骤1：构建室内miso vlc系统模型，具体为：
[0108]
步骤1-1：室内miso vlc系统有4个led阵列光源，考虑vlc通信系统中采用im/dd调制技术，且信道增益为直流增益，室内miso vlc系统接收端的信号为通过所有子信道的来自发射端led阵列的信号的叠加，即：
[0109]
y＝h
t
x z＝h1x1 h2x2 h3x3 h4x4 z
[0110]
其中，x＝(x1,x2,x3,x4)为k个led的发射信号；z为均值为0、方差为σ2加性高斯白噪声；h＝(h1,h2,h3,h4)为信道矩阵，其元素hk(k＝1,2,3,4)表示第k个led光源到接收机的信道系数；
[0111]
步骤1-2：计算信道矩阵h＝(h1,h2,h3,h4)中的信道系数hk(k＝1,2,3,4)：
[0112][0113][0114]
其中，n为折射因子，m＝-ln(2)/ln(cosφ
1/2
)为led光源的朗伯辐射系数，φ
1/2
为led阵列的半功率半角，a
pd
为光电探测器的收集区域，dk为发射机和接收机之间的距离，φk为led阵列的光发射角度，ψk为光电探测器的光入射角，ts(ψk)为光滤波器增益，g(ψk)为光集中器增益，ψc为接收机的视场角。
[0115]
步骤1-3：实施例中4个led阵列的调光系数向量为μ＝(μ1,μ2,μ3,μ4)＝(0.4,0.5,0.6,0.8)。
[0116]
室内房间模型的具体参数如下表所示：
[0117]
每个led阵列中led的数目10
×
10每个led阵列中led的间隔0.01mled最大光功率100μw半功率半角φ
1/2
60
°
pd的收集区域a
pd
1.0cm2光滤波器增益ts(ψ)1接收机的视场角ψc60
°
折射因子(透镜的折射率)n1.5噪声功率谱密度10-22
w/hz
带宽20mhz
[0118]
则h＝(6.49,13.36,6.49,3.82)
×
10-6
，归一化后的h＝h/max(hk)＝(0.4856,1,0.286,0.4856)。led阵列光源的峰值功率为ak＝0.01w，对其进行归一化后可得ak＝max(hk)ak/σ＝2.988，k＝1,2,3,4。
[0119]
步骤2：miso系统接收端将接收到的可见光信号等效为单发射端发射的信号，则可以对应一个siso vlc系统，这个对应siso系统的信号同样有峰值功率约束和调光约束，将室内miso vlc系统等效为siso系统，并构建对应的siso通信系统的优化模型，具体为：
[0120]
步骤2-1：将4个led阵列等效为一个光源，构建miso通信系统对应为siso通信系统y＝s z，其中s＝h
t
x＝h1x1 h2x2 h3x3 h4x4。
[0121]
步骤2-2：确定对应siso通信系统信号峰值约束as与调光系数μs：
[0122][0123][0124]
则本实施例中信号强度等效峰值与等效调光系数分别为as＝6.7445，μs＝0.5557。
[0125]
步骤2-3：构建siso通信系统的容量可达的星座点优化问题：
[0126][0127][0128]
容量可达的siso系统的输入变量分布s为有限离散的，因此，可以用n表示s的星座点个数，星座点位置与概率分别为用向量s＝(s1,s2,
…
,sn)与p＝(p1,p2,
…
,pn)表示；
[0129]
优化目标为：
[0130]
i(s；y)＝i(h1x1
…
hkxk；y)＝h(y)-h(z)；
[0131]
h(z)＝1/2log2(2πeσ2)
[0132][0133]
其中，n表示对应的siso系统中的星座点个数，星座点位置与概率分别为用向量s＝(s1,s2,
…
,sn)与p＝(p1,p2,
…
,pn)表示，a已经对噪声功率归一化，所以噪声功率σ2＝1，h(z)＝1/2log2(2πe)。
[0134]
步骤3：根据步骤2构建的siso通信系统优化模型，确定其系统容量可达的星座点个数n
*
，星座点概率向量p
*
和位置向量s
*
，具体为：
[0135]
步骤3-1：设置vlc系统各参数值，包括光功率的峰值as、噪声功率σ2以及调光系数μs，初始化星座点，n＝2，s1＝0，s2＝as，p1＝1-μs，p2＝μs；
[0136]
步骤3-2：利用内点法求解星座点个数为n时，最优星座点概率p和位置s；
[0137]
步骤3-3：判断当前解是否能达到系统的最大互信息量，若能达成最大互信息量，则进入步骤3-5，否则转入步骤3-4；
[0138]
判断当前解是否能达到系统的最大互信息量，具体为：
[0139]
若存在ν，同时满足以下两个条件：
[0140]
(1)使对于任意的si,i＝1,
…
,n都有下式成立：
[0141]
i(si；fs(
·
))＝i(s；y)-ν(μ
sas-si)
[0142]
其中
[0143][0144]
式中σ2＝1，表示满足功率约束条件的任意离散分布s的概率密度函数；
[0145]
(2)对于任意s∈[0,as]，都有
[0146]
i(s；fs(
·
))≤i(s；y)-ν(μ
sas-s)
[0147]
若上述两个条件同时满足，则当前解能达到系统的最大互信息量，转步骤3-5。
[0148]
步骤3-4：令n＝n 1，转步骤3-2；
[0149]
步骤3-5：记录容量可达的星座点分布n
*
＝n，p
*
＝p，s
*
＝s。
[0150]
在本实施例中的通信场景下，对应siso信道的信道容量c＝1.3625，容量可达的星座点数n
*
＝4星座点分布情况如图4中siso系统星座图分布中实心星座点所示。
[0151]
步骤4：判断miso系统各led光源的调光系数是否相同，也即μ1＝μ2＝
…
＝μk是否成立。若成立，容量可达，转步骤6；若不成立，转步骤5；
[0152]
由于本实施例中μ1＝μ2＝
…
＝μk不成立，转步骤5；
[0153]
步骤5：构造判断矩阵c和c
υ
，判断容量可达的必要条件rank(c)≥rank(c
υ
)是否满足，若rank(c)≥rank(c
υ
)，则容量可达，转步骤6；若rank(c)＜rank(c
υ
)，则容量下界可达，转步骤7，具体为：
[0154]
构造c，v,c
υ
，定义分别如下
[0155][0156]
其中，为4维对角矩阵，而0为4维行向量。
[0157]
v＝(μ1a1,
…
,μ
kak
,s1,
…
,sn)
[0158]cv
＝[c，v]
[0159]
在本实施例中，rank(c)＜rank(c
υ
)，转步骤7。
[0160]
步骤7：本实施例中，各led阵列光源的调光系数不同且rank(c)＜rank(cv)时，设置最优星座点个数n
*
＝4，利用内点法求解misovlc系统逼近容量的容量下界以及容量下界可达的星座点分布，容量下界可以通过最大化接收端和发射端的互信息量优化问题求解：
[0161]
[0162][0163]
其中，矩阵表示misovlc系统的星座点分布：
[0164][0165]
矩阵的元素表示第i个星座点对应的光强由第k个led阵列所发出的光功率，因此，矩阵的各行向量表示第i个星座点对应的各led阵列光源的光强，矩阵的各列向量表示第k个led阵列的n
*
个星座点的位置。
[0166]
约束条件表示第k个led光源阵列的平均光功率应满足调光需求，约束条件表示对应siso系统第i个星座点有miso系统的所有k个led光源阵列的第i个星座点组成。上述优化问题求解得到的星座点概率和位置分别表示为p
′
,对应siso系统达到容量下界的星座点分布为p
′
,s
′
，其中
[0167]
本实施例中，通过求解上述所得容量下界为与对应siso系统容量也就是容量上界逼近，是非常紧的下界。对应siso系统达到容量下界的星座点分布如图4中siso系统星座图分布中菱形星座点所示。
[0168]
步骤8：根据步骤7所求容量下界，构建miso系统最小化通信功率的容量逼近的星座点优化模型并求解得到最优星座点分布，具体为：
[0169]
本实施例中，各led阵列光源的调光系数不同且rank(c)＜rank(cv)，在系统容量下界可达的星座点分布条件下，4个led阵列用于通信的额外功率消耗可以表示为：
[0170][0171]
将额外功率消耗表示成矩阵的形式，在系统容量下界可达的星座点分布条件下，构建室内miso vlc系统最小化通信功率的最优星座点优化模型：
[0172][0173][0174]
其中，p
′
＝diag(p
′
)，
[0175]
步骤8-2：求解步骤8-1的优化模型，并得到室内miso vlc系统最小化通信功率的容量逼近的最优星座点分布。
[0176]
优化后的miso vlc系统最小化通信功率的容量下界可达的星座点分布如图4第2-5个子图中菱形星座点所示，图4第2-5个子图中的x星座点表示随机生成的容量下界可达的星座点。
[0177]
优化后的通信功耗与随机生成的蓝色x星座点的通信功耗相比降低了5％。
[0178]
由此可知，本方法利用misovlc系统对应siso vlc系统求解容量可达或逼近的星座点分布，并求解最小化通信功耗的光功率分配；可以在保证通信性能的基础上降低通信功耗，节能环保且易于实现，在vlc领域具有优越的应用前景。