[发明专利]一种多色MIMO-VLC比特功率分配星座设计方法

说明书

本发明公开了一种多色MIMO‑VLC比特功率分配星座设计方法，该方法是在功率分配上，以最大化多用户频谱效率为目标函数，在给定CCT下，采用一定的凸优化算法计算得到多色LED芯片各个颜色之间的功率分配比例；本发明根据不同维度光功率的比例，采用比特功率分配的方法，设计了RGB三维多色MIMO‑VLC的优化星座方法；本发明的优势在于，可以进一步提高通信效率，通过对多色MIMO‑VLC信号进行针对性的信号设计有效地提高频谱效率，实现多色MIMO‑VLC系统的通信速率提升。

技术领域

本发明涉及星座设计优化技术领域，具体为一种多色MIMO-VLC比特功率分配星座设计方法。

背景技术

目前普遍使用的白光LED光源主要分为两种：第一种是在氮化镓蓝色芯片上涂覆黄色荧光粉，通过蓝光激发黄色荧光粉得到白光，这种光源称为基于荧光粉的LED光源(phosphor-converted LED,pc-LED)，它也是现今业界使用最广的类型；第二种是多色芯片LED，利用三个或更多的单色LED芯片发射不同的单色光，并将不同单色光根据预定的比率混合在一起产生白光，典型的多色芯片LED有红绿蓝多色发光二极管(RGB-LED)、红绿蓝黄多色发光二极管(RGBY-LED)等。

虽然多色芯片LED较pc-LED结构更加复杂而且成本更高，但其在可见光通信领域里具有不同于pc-LED的几个明显优势：1、多色芯片LED的调制带宽是pc-LED的若干倍，可以实现更大容量的信息承载；2、多色芯片LED光源的色温、显色指数等参数可根据照明需求进行调节，能够实现更大颜色动态范围内的照明。

另一方面，目前的VLC通信系统中普遍采用了高频谱效率的通信技术，如正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)和多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-output,MIMO)等。由于多色LED发光器件(如RGB-LED、RGBA-LED)具有良好的天然MIMO结构，因此可以在不加大设备尺寸的情况下实现等效于空间分离MIMO-VLC的性能，甚至能够在单灯多色MIMO的基础上同时设计多灯的空间分离MIMO系统。多色LED的这一优良特性使得它成为了超越现有白光pc-LED的新型可见光通信光源器件，也让进一步提高可见光通信速率成为可能。

多色芯片LED光源在实现通信的同时需要考虑到颜色合成的白光照明约束，众多学者对此已进行过深入的研究。例如K.H.Park团队提出了光功率约束下的MIMO-VLC通信系统的功率分配方法；中国科学技术大学团队考虑到光功率约束和色度约束，对基于RGB-LEDs的VLC信号进行了星座设计，以及对光功率约束和色度约束下的点对点VLC通信系统的最大化传输速率进行了优化计算。但这些研究仅考虑了LED固定颜色色度坐标的情况，而事实上，适当范围内放宽色度约束不会影响照明效果，且能在一定程度上提升LED的通信性能。因此，相关学者进一步考虑多色MIMO的光功率约束和照明色度约束范围，针对不同颜色的光功率分配问题进行了研究。基于多色芯片LED相关问题的这一新型可见光通信技术称为：多色MIMO可见光通信技术。

清华大学信息技术实验室考虑如所示的多用户MISO通信系统。发送端LED共有多个多色芯片，每个芯片发出不同颜色的单色光且传输不同信息。接收端采用多个独立的滤光片和光电二极管(Photo Diode,PD)进行信号接收。多路信号间不考虑相互串扰。

多用户多色MISO-VLC系统的光功率分配问题主要考虑亮度、色度、幅度、误比特率四种约束，通过最优化功率分配实现最大化多用户总频谱效率。问题求解过程中，由于色度约束限制在MacAdam椭圆区域内，因此原问题为一个非凸优化问题，通过对椭圆坐标进行极坐标转化和引入松弛变量，原问题转化为一个可快速求解的凸优化问题。经过大量数值仿真实验，可以得出结论，不同CCT和总光功率下，达到最大多用户总频谱效率的最优功率分配比例基本保持不变。