四色可见光通信系统色移键控星座点优化照明方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于可见光通信的技术领域，尤其设及基于色移键控的四色可见光通信系 统的星座点设计。
【背景技术】
[0002] 高亮度Lm)由于成本低，寿命长，能效高的特点，正逐渐取代传统的照明设备。同时 LED的快速切换能力引起了人们对可见光通信(VLC)的研究。通过波分复用(WDM)技术，使用 多色L抓的化C收发机自然就形成了色域上的多输入多输出（CMIM0)信道，它具有高出单色 信道数倍的信道容量。
[0003] 在IE邸802.15.7国际标准中提出了基于红绿蓝(RGB)S色L抓收发机的色移键控 技术(CSK)。为了防止照明亮度闪烁而对人眼造成伤害W及为了避免设备励磁涌流的发生， 该技术规定:每个星座点必须保持照明亮度恒定，并且其平均星座点是满足照明需求的白 光。上述特点也就成为了色移键控技术相对于如〇FDM，PPM等其他化C通信技术的一大优势。
[0004] 在照明领域中，为了提高合成的白光质量，新兴的红绿蓝黄(RGBA)四色L抓合成方 案逐渐取代了 RGBS色L邸合成方案。一方面，RGBA系统能够合成指定色溫下的白光，而且相 比RGB系统，前者在显色指数(CRI)上有着更多的选择余地，因此能够合成纯度更高质量更 好的白光；同时相比RGB系统，由于多出来一个黄光波段，基于RGBA四色的化C通信系统在包 括通信速率W及通信质量等通信性能方面可W获得极大提升。
[0005] 与传统的射频通信方式不同，由于L抓发光亮度的非负特性，导致CSK星座点优化 问题的约束条件较为复杂，而在大多数时候，有些约束条件会被简化。有文献表明，通信系 统的误比特率性能和星座点间的最小距离有直接关系，该距离越大，误比特率性能越好。在 VLC通信场景下，已有一些工作采用内点法（interior point methods) W及桌球算法 (bi 11 iards a 1 gori thms)对该问题进行优化，取得了较好的效果，更有一些工作采用色域 频域W及直流工作点相结合的方式设计出了一种创新的CSK方式。但是运个方法均在RGBS 色上考虑，而未考虑四色合成，更不用提显色指数的约束。而且通常电路存在可通过的最大 电流，因此当所需照明亮度较大使得超过原星座点驱动电流超过此最大电流时，需要对星 座点进行重新设计，必定会引入较大的延时。
[0006] 当所用Lm)的颜色数量超过3时，为了考虑合成白光的质量，需要考虑显色指数的 约束。而如果将此种复杂的非线性约束引入CSK的星座点设计优化问题中，无疑会带来极大 地困难及挑战。而在已有的工作中，均只考虑RGB的合成方式，而当所需白光色溫确定之后， RGBS色配比也即被固定，就不能对显色指数进行调节，照明质量也就会受到一定影响，不 能很好地满足室内照明的需求。
【发明内容】
[0007] 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，在采用诸如 RGBA运种四色Lm)通信系统中优化出色移键控星座点，使得星座点两两之间的最小距离最 大化的四色可见光通信系统色移键控星座点优化照明方法，该方法同时在信道不变时能独 立于照明亮度进行一次优化长期使用。
[0008] 技术方案:本发明的四色可见光通信系统色移键控星座点优化照明方法，在目标 色溫下遍历黄光Lm)的功率比α，通过线性混光方程组将非线性的显色指数约束转化为线性 的黄光功率比α的约束，获得满足显色指数约束的所有可行域[αι，α。]，随后在参考亮度下通 过迭代优化的方法逐步优化出最佳的星座点sopt，然后根据实际所需照明亮度L决定所需启 用的四色灯组数量，从而获得最佳的通信性能。
[0009] 进一步的，本发明方法中，在参考亮度下通过迭代优化的方法逐步优化出最佳的 星座点SDpt的具体方法为:按照W下步骤进行K次迭代优化，从优化结果中选取星座点间最 小距离d最大的星座点作为最优星座点SDpt，K为迭代优化次数：
[0010] (1)获取发送端和接收端之间的信道参数，根据所需照明光的色溫约束，亮度约 束，显色指数约束W及光通信本身的非负性约束，建立色移键控星座点设计模型；
[0011] (2)任取一个同时满足上述四个约束条件的初始星座点S0,并令星座点间最小距 离初始值dpre = 0;
[0012] (3)将所述so和dpre作为色移键控星座点设计模型优化的初始量；
[0013] (4)对色移键控星座点设计模型进行单次优化求解，获得满足所述四个约束条件 的星座点S及其星座点间最小距离d，如果满足|(1-〇^6|<〇,〇为判定阔值，则进入步骤(5)，否 则令3日=3，(^6 = (1，返回步骤(3);
[0014] (5)记录星座点S及d，作为本次迭代优化结果。
[0015] 进一步的，本发明方法中，根据下式将非线性的显色指数约束转化为线性的黄光 功率比α的约束：
[0016]
[0017] 其中，Ν为所需设计星座点个数，C为同色光功率累加矩阵，C1和C2分别是四色混白 光时红绿蓝Ξ色L抓功率与黄光L抓功率的一次项转换系数及常数项，[巧表示满足色 溫和显色指数要求的黄光功率比的第i个可行子域。
[0018] 进一步的，本发明方法中，根据实际所需照明亮度L决定所需启用的四色灯组数量 的具体方法如下：
[0019] (1)记录参考亮度L。下的星座点喊η;
[0020] (2)如果照明亮度需求L<L〇,则启用一组四色光组进行通信，其目标星座点我,f 为：
[0021]
[0022] 同时根据星座点亮度通过查表法获得各色驱动电流；
[0023] 如果照明亮度需求L〉Lo,则启用k组四色灯组进行通信，每组目标星座点S'opt为：
[0024]
[0025] 其中
Lg」为向下取整操作；
[0026] 同时根据星座点亮度通过查表法获得各色驱动电流。
[0027] 进一步的，本发明方法中，所述参考亮度根据W下方法确定:任取一参考亮度值 Lo,随后进行星座点优化获得最优星座点SDpt，若SDpt中所有元素均小于1，则将该参考亮度 值作为最终确定的参考亮度Lo,否则令
继续进行星座点优化，反复迭代，直至优化 出的SDpt中所有元素均小于1，则此时的Lo为最终确定的参考亮度。
[0028] 本发明中，先确定所需优化的系统模型。首先确定色溫(CT)W及显色指数(CRI)约 束条件。根据所选取的RGBA四色L邸型号的发光特性，遍历满足色溫约束和显色指数约束的 白光合成方程组的黄光L邸的功率比切f应的所有可行域[αι，α^，将非线性的显色指数约束 转化为线性的黄光Lm)的功率比α约束。然后将此功率比α和所需优化的CSK星座点联合迭代 优化，获得星座点间最小欧氏距离最大的星座点Sept。
[0029] 有益效果:本发明与现有技术相比，具有W下优点：
[0030] 1、本发明中系统采用四色通信使得发射的合成白光质量能够满足较高的照明要 求。四色系统的Lm)通常由红绿蓝黄(RGBA)四种颜色组成，混合白光用于照明时，相应的Ξ 刺激值矩阵Atv为3 X 4矩阵，存在一个自由度，因此可用于调节显色指数的大小，从而控制白 光质量。而现有的立色366系统的L邸在混白光时，相应的Atv为3X3矩阵，无多余的自由度， 对应于一个固定的显色指数，对照明质量无法进行调节。因此与Ξ色光通信系统相比，四色 系统不仅仅多了一个波分复用信道(黄光信道），而且在指定的色溫下合成白光，四色系统 持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W很好地兼顾室内照明的需求。
[0031] 2、在优化星座点时创新性地引入了色溫W及显色指数约束，使得合成的白光质量 更高。而现有的优化方案通常为RGBS色系统，没有也无法将显色指数约束加入考虑范围， 因此使得本发明在照明质量上有较大的优势。特别的，在本方法引入显色指数约束时，巧妙 地利用线性混光方程将四色L邸的功率比转化为与黄光功率比α有关的线性方程，并通过遍 历曰获取满足显色指数约束的α可行域，从而将非线性的显色指数约束转换成了与α有关的 线性约束，为下一步的优化带来了巨大的便利。并且通过多次迭代优化的方法，优化求得的 星座点具有较好的性能。
[0032] 3、本发明提出的照明策略，能够覆盖的照明度较广，根据亮度需求，启用多个RGBA 灯组使得每个灯组均工作在安全电流之下。并且对于相同的信道，能够生成独立于照明亮 度的最优星座点。而常用的照明策略需要针对不同照明亮度做不同的优化，本发明的优点 在于:一方面能够减少每组灯的负荷，从而有效延长灯组使用寿命，另一方面在此星座点下 系统性能能获得最优性能，提高通信效率。而且，与常用的直接优化电流星座点的方法不 同，本发明提出利用查表法将优化出的星座点所代表的各色光强转化为各色驱动电流，避 开了 L邸中普遍存在的驱动电流与光强之间的非线性转换关系。
【附图说明】
[0033] 图1为四色可见光通信系统的收发机模型；
[0034] 图2为本发明所提出的优化方法的逻辑框图；
[00巧]图3为LZ4-03M07型号的RGBA四色L邸在固定色溫下所对应的显色指数随α的变化 曲线；
[0036] 图4为在图1所示的单组L邸模型下得到的星座点最小欧氏距离随着照明亮度的变 化曲线；
[0037] 图5为在图1所示的单组L邸模型下得到的星座点最小欧氏距离随着色溫的变化曲 线。
[0038] 图6为在图1所示的单组L抓模型下得到的误码率性能与RGBS色系统下的误码率 的比较。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合说明书附图和实施例对本发明技术方案做进一步的详细说明。
[0040] 如图1所示，该四色可见光通信系统由单组四色L邸组成，该组四色L邸由RGBA四种 颜色的单色LED构成。假设接收端和发射端之间的信道由接收端和接收端的位置W及发射 端所选用的LED,接收端透镜，滤光片W及ATO接收管型号确定。该信道信息通过一无差错反 馈信道获得，并假设在通信期间，该信道保持不变。为简化信道表达式，将四色信道表示为Η = [Hu]4χ4，Hリ表示第j色L抓到第i色接收管的信道增益。在此例中，L抓发射管采用LZ4- 03ΜΑ07 系列 RGBA 发射管，滤光片采用 FF01-452/45-25，FF01-520/35-25，FF01-600/14-25， FF02-632/22-25，Aro接收管采用S5343。信道具体数值为：
[0041]
[0042] 如图2所示，对所建立模型进行星座点优化。假设照明所需白光的色溫CT为5000K， 显色指数Ratar = 75,取参考亮度