基于多色LED的可見光通信聯(lián)合調(diào)制技術(shù)

黃博揚(yáng)+高謙+徐正元

中圖分類號(hào)：TN929.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1009-6868 （2014） 06-0025-004

摘要：提出了一種針對(duì)廣義色移鍵控（CSK）調(diào)制RGB 3色發(fā)光二極管（LED）的可見光通信（VLC）星座圖設(shè)計(jì)方法。為了實(shí)現(xiàn)通信與照明的結(jié)合，考慮了一些照明條件的約束：首先，LED產(chǎn)生的顏色和強(qiáng)度被限制以達(dá)到照明要求;其次，為了減小非線性效應(yīng)的影響，每盞LED燈的功率被限制在線性范圍;最后，利用奇異值分解（SVD）的預(yù)均衡來消除多徑效應(yīng)的影響和顏色間的干擾。仿真結(jié)果表明，相比較于每路LED分別采用開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制的誤碼率，優(yōu)化的星座圖性能更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：可見光通信;星座圖設(shè)計(jì);多色發(fā)光二極管;色移鍵控

Abstract：?In this paper， we propose a constellation design that uses RGB LEDs modulated by generalized color-shift keying （CSK） modulation to realize visible light communication （VLC）. To achieve joint communication and illumination， we consider constraining some lighting conditions. First， the average color and power are constrained to meet the lighting requirements. Second， to minimize nonlinear effects， the power of each LED is constrained in its linear range. Third， a singular value decomposition （SVD）-based pre-equalizer is employed to mitigate the effects of multi-path and cross-talk between colors. Simulation results show that the bit-error rate of the proposed scheme is lower than that of a conventional scheme where OOK is used for each branch.

Keywords：?optical wireless communication; constellation design; multicolor LED; color shift keying

近年來，基于發(fā)光二極管（LED）的室內(nèi)可見光通信逐漸受到關(guān)注[1-2]。LED相比于一般照明，具有更高的電光轉(zhuǎn)換效率，是能夠滿足綠色照明的一種光源，同時(shí)還能夠提供高速無線通信服務(wù)[3]。目前用于提供照明的LED主要有3種模式：藍(lán)光LED加上黃色熒光粉、紫外LED加上多色熒光粉以及RGB 3色LED。相比于另外兩種模式，RGB 3色LED由于不同的LED芯片能夠獨(dú)立調(diào)制，因此能夠提供更高的傳輸速率。

IEEE 802.15.7可見光通信標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)不同顏色LED燈提出了色移鍵控（CSK）的可見光通信調(diào)制方式[4]。不少文章已經(jīng)給出了關(guān)于色移鍵控下星座圖的設(shè)計(jì)方法。Drost等人提出了基于billiard algorithm的星座圖設(shè)計(jì)[5]。Monteiro等人用內(nèi)點(diǎn)法在顏色間干擾的約束下設(shè)計(jì)了星座圖[6]。Bai等人在一些照明條件下對(duì)星座圖進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)[7]。

星座圖的設(shè)計(jì)使得在最小歐式距離相同的情況下，能量最小。反過來說也就是在能量一定的情況下，能夠使得歐式距離最大，即誤碼率最小。本文主要考慮的是在實(shí)際照明條件下的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了提供更均勻照明的經(jīng)過反射后照明的方式[8]。所要做的優(yōu)化是在總的功率一定的前提下，在滿足約束條件下使得最小歐式距離（MED）最大。室內(nèi)可見光通信由于受到照明、通信要求以及LED本身的限制，在選擇星座圖的時(shí)候必需受到相關(guān)條件的限制。

本文分為以下幾個(gè)部分。在第1部分給出了優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，第2部分根據(jù)約束問題給出了不同條件下的優(yōu)化問題的解，第3部分比較了優(yōu)化解與開關(guān)鍵控（OOK）的誤碼率結(jié)果，第4部分對(duì)文章進(jìn)行了總結(jié)。

1 星座圖設(shè)計(jì)優(yōu)化

色移鍵控系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。其中檢測(cè)器是雪崩二極管探測(cè)器，符號(hào)檢測(cè)器將接收到的信號(hào)還原為符號(hào)。

經(jīng)過預(yù)均衡的信號(hào)輸入到RGB 3路LED燈中。我們采用的是反射式照明。反射照明是將LED燈先照射到一個(gè)漫反射界面上，再利用界面的反光進(jìn)行照明的照明方式。這種照明方式的優(yōu)勢(shì)是能更有效地混合RGB 3色，使LED燈輸出的顏色更加均勻，同時(shí)較LED燈直接照明，光強(qiáng)在空間分布上更加均勻。這種情況下，人眼感受到的顏色就不再是LED直接混合的顏色，而是通過界面反射之后的顏色。界面對(duì)不同顏色的光反射率不同，因此輸出的顏色就應(yīng)當(dāng)作相應(yīng)的調(diào)整。即使是一面白色的墻壁，在經(jīng)過很長(zhǎng)的時(shí)間之后也會(huì)出現(xiàn)墻壁發(fā)黃，即對(duì)于紅光部分相對(duì)于藍(lán)光部分的反射率增大。界面對(duì)RGB的反射率分別為[ηR、ηG、ηB]，反射矩陣為：

[η=ηR000ηG000ηB]

經(jīng)過信道矩陣為H的信道，接收的信號(hào)經(jīng)過濾光片后的輸出可以表示為[y=Hs+n]，其中，n是噪聲，服從公式[n～N0，I?N02]。通過濾光片后的信號(hào)被3個(gè)接收器接收，通過符號(hào)檢測(cè)估計(jì)出發(fā)送符號(hào)。由于濾光片不是理想的濾光片，會(huì)有不同顏色間的串?dāng)_。信道矩陣可以寫成：

[H=1-? ?0?1-2??0?1-?]

其中[?∈[0，0.5）]。通過奇異值分解（SVD），[H=USVH]，U和V都是酉矩陣，[S]是對(duì)角陣。我們的預(yù)均衡就是[P=VS-1]，后均衡是[UH]。

光源發(fā)出的光經(jīng)過界面反射后，一部分能夠直接進(jìn)入接收端，另一部分則會(huì)再經(jīng)過一次或多次反射后才能被接收。室內(nèi)的反射環(huán)境復(fù)雜，除了墻面的RGB大致相等的反射外，也會(huì)有不同顏色的物體反射不同顏色的光，使得RGB 3種顏色的光脈沖響應(yīng)不同。經(jīng)過多徑信道后不同顏色LED的脈沖響應(yīng)分別為[hRt，hGt，hBt]、

[hit=jβijδ（t-τj），i=R，G，B]。發(fā)出的信號(hào)[sit=ciΠ（tTs）]。其中：

[Π（tTs）=1， 0

經(jīng)過信道[hit]后接收端接收到的信號(hào)為[yit=sit*hit=][cijβiΠ（（t-τj）Ts）]。根據(jù)文獻(xiàn)[9]Appendixb中的推導(dǎo)，并假設(shè)[τj?Ts]，預(yù)均衡是[Pi=1jβij]。如果[jβij]很小，[Pi]很大，導(dǎo)致通過預(yù)均衡之后LED燈的光強(qiáng)過大，因此需要將[jβij]歸一化后再加入預(yù)均衡。約束中的預(yù)均衡應(yīng)當(dāng)改為：

定義[P*T=I8?P*]（克羅內(nèi)克積）。

以每個(gè)符號(hào)3比特為例，定義一個(gè)聯(lián)合星座圖矢量[sT=sT1sT2sT3sT4sT5sT6sT7sT8T]，其中每個(gè)[si]是星座圖中第i個(gè)符號(hào)：

[si=sRisGisBiT=JisT] ? ? （2）

其中[Ji]是[3×24]的選擇矩陣。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

我們的目標(biāo)是最小化系統(tǒng)的誤碼率即最大化最小歐式距離[dmin]，也就是最大化對(duì)于滿足下面條件的d[10]：

[sTTFLsT≥d] ? ?（3）

其中[FLp，q=Epq]，[Ep=eTp?I]，[eTp]是第p個(gè)分量為1，其余分量為0的向量。[Epq=ETpEp-ETpEq-ETqEp+][ETqEq]，[L=8p-1-pp+12+q， ?p，q∈1，2，…，]

[8， p

[s0T]是隨機(jī)的初始點(diǎn)或者上一步到達(dá)的點(diǎn)。

1.2 顏色限制

LED燈按照不同的顏色比值混合后能得到不同顏色的光。室內(nèi)照明的要求一般是要達(dá)到一定顯色度的白光。也有一些場(chǎng)合會(huì)需要偏紅色或者偏藍(lán)色的照明，則需要提高紅光或藍(lán)光LED的相對(duì)功率。在高速通信的情況下，人眼對(duì)顏色變化的速度遠(yuǎn)不及信號(hào)變化的速度，因此在我們星座圖的設(shè)計(jì)中，并不需要對(duì)每個(gè)符號(hào)的顏色進(jìn)行限制，而是對(duì)所有符號(hào)RGB 3色的平均值限制，即：

[s=18i=18JisT=JsT=sRsGsBT] 。

我們的目標(biāo)顏色向量是[s3]，決定了混合后的光的顏色和強(qiáng)度：

[s3=ηJP*TsT] ? ? （5）

1.3 LED燈的線性范圍

LED燈是一種非線性元件。在電壓小于閾值電壓時(shí)，電流近似為零，不發(fā)光;當(dāng)電壓大于閾值電壓后，電壓與電流也不是完全的線性關(guān)系。LED伏安特性曲線如圖2所示，閾值電壓越為6 V，LED線性工作的區(qū)間大致在7 V到11 V，對(duì)于不同的LED燈這個(gè)值可能不一樣。這一項(xiàng)約束可以寫為：

[maxKjPTsT

[minKjPTsT>VLOW， j， ? ?j] ? ? （6）

[VUP， j]和[VLOW， j]是第j個(gè)燈的線性范圍上下限，Kj是一個(gè)[8×24]的選擇矩陣，其第i行只有第j+3（i-1）個(gè)元素為1，其余元素為0。

1.4 顯色指數(shù)和發(fā)光效率約束

顯色指數(shù)（CRI）表示光源的光照射在物體上真實(shí)還原物體顏色的能力[12]。發(fā)光效率（LER）是光通量與功率的比值，衡量了光源產(chǎn)生可見光的能力[13]。該功率根據(jù)前綴不同可以是光源的輻射通量，也可以是給光源提供的電能。通過選取適當(dāng)?shù)腫s3]，可以滿足CRI和LER的約束[14]。

1.5 約束問題

將上述的目標(biāo)函數(shù)和約束條件合起來，得到如下的優(yōu)化問題：

[maxsT，dd]

[s.t ?ηJP*TsT=s3]

[g0LsT≥d ?l]

[maxKjPTsT

[minKjPTsT>VL，j，?j] ? （7）

通過求解該優(yōu)化問題，就能得到在滿足這些約束條件下使得誤碼率能達(dá)到最低的星座圖。

2 仿真結(jié)果

利用Matlab的CVX工具箱，我們對(duì)不同墻面反射率和不同脈沖響應(yīng)函數(shù)下的優(yōu)化問題進(jìn)行了仿真。為了得到最優(yōu)解，每次優(yōu)化隨機(jī)初始化10次，每次停止的條件設(shè)定為連續(xù)循環(huán)的兩次最小距離相差小于0.001。

2.1 信道平衡

每種顏色被接收到的能量相近，例如，我們假設(shè)[s3=27?131313T]。信道串?dāng)_的參數(shù)[?=0.1]，界面反射率和信道對(duì)RGB 3種顏色都是相同的，即[ηR=ηG=ηB=1]，[jβRj=jβGj=jβBj=1]。同時(shí)令[VLOW， j=6]，[VUP， j=12]，適當(dāng)?shù)胤糯驦ED的范圍，能夠在可以容忍的非線性效應(yīng)下得到更大的最小歐式距離。經(jīng)過優(yōu)化之后得到的星座圖如下：

最小歐式距離為5.08。

2.2 信道不平衡

不平衡的信道意味著界面對(duì)不同顏色的反射率不同，并且不同顏色的脈沖響應(yīng)也不同。我們假設(shè)[ηR=1， ηG=0.9， ηB=0.8]，以及[jβRj=1，jβGj=0.9 jβBj=0.8]。經(jīng)過優(yōu)化之后的星座圖如下：

最小歐式距離為2.82。

2.3 界面與信道不同

由于室內(nèi)可能有反射不同顏色的物體存在，直接從反射界面觀察到的顏色與信道的脈沖響應(yīng)不一定成比例。假設(shè)[ηR=1， ηG=0.9， ηB=0.8]，[jβRj=0.8，jβGj=0.9 jβBj=1]。

經(jīng)過優(yōu)化之后的星座圖如下：

最小歐式距離為2.56。

3 效果評(píng)估

我們計(jì)算了誤碼率隨光學(xué)信噪比的變化。光學(xué)信噪比[15]定義為[γo=10log10PoNbN0]。結(jié)果顯示在圖3、圖4中。圖3是誤碼率（BER）隨信道顏色的變化，[ηR=1， ηG=1-δ，][ ηB=1-2δ]，[jβRj=1，jβGj=1- jβBj][=1-2δ]，表明了在光學(xué)信噪比固定在10 dB的情況下，隨著信道顏色偏移越大，為了得到目標(biāo)顏色而使得誤碼率增大，我們使用奇異值分解的星座圖的效果要優(yōu)于使用迫零（ZF）檢測(cè)的OOK的結(jié)果。圖4是[δ=0.1]時(shí)BER隨著光學(xué)信噪比變化的結(jié)果。

環(huán)境中的顏色越不均衡，優(yōu)化的星座圖相對(duì)于OOK調(diào)制的效果就越好。這樣使得在一些不均衡的環(huán)境中，如冷色調(diào)裝飾的或者墻壁泛黃的房間中，我們?nèi)匀豢梢詫?shí)現(xiàn)反射式照明與高速無線光通信的結(jié)合。同時(shí)，一旦室內(nèi)環(huán)境發(fā)生改變，只需要重新計(jì)算星座圖即可。

4 結(jié)束語

通過所提優(yōu)化方法得到的基于色移鍵控的星座圖與3色獨(dú)立的OOK調(diào)制方式相比，相同信噪比下誤碼率更低。我們考慮了LED顏色和強(qiáng)度、LED非線性區(qū)域的約束。多徑效應(yīng)和顏色間的干擾采用奇異值分解的預(yù)均衡方法來消除。我們采用的廣義色移鍵控針對(duì)的是長(zhǎng)時(shí)間顏色的平均值進(jìn)行約束，能夠得到更高的自由度，從而能夠獲得性能大幅度的提升。

參考文獻(xiàn)

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最小歐式距離為2.82。

2.3 界面與信道不同

由于室內(nèi)可能有反射不同顏色的物體存在，直接從反射界面觀察到的顏色與信道的脈沖響應(yīng)不一定成比例。假設(shè)[ηR=1， ηG=0.9， ηB=0.8]，[jβRj=0.8，jβGj=0.9 jβBj=1]。

經(jīng)過優(yōu)化之后的星座圖如下：

最小歐式距離為2.56。

3 效果評(píng)估

我們計(jì)算了誤碼率隨光學(xué)信噪比的變化。光學(xué)信噪比[15]定義為[γo=10log10PoNbN0]。結(jié)果顯示在圖3、圖4中。圖3是誤碼率（BER）隨信道顏色的變化，[ηR=1， ηG=1-δ，][ ηB=1-2δ]，[jβRj=1，jβGj=1- jβBj][=1-2δ]，表明了在光學(xué)信噪比固定在10 dB的情況下，隨著信道顏色偏移越大，為了得到目標(biāo)顏色而使得誤碼率增大，我們使用奇異值分解的星座圖的效果要優(yōu)于使用迫零（ZF）檢測(cè)的OOK的結(jié)果。圖4是[δ=0.1]時(shí)BER隨著光學(xué)信噪比變化的結(jié)果。

環(huán)境中的顏色越不均衡，優(yōu)化的星座圖相對(duì)于OOK調(diào)制的效果就越好。這樣使得在一些不均衡的環(huán)境中，如冷色調(diào)裝飾的或者墻壁泛黃的房間中，我們?nèi)匀豢梢詫?shí)現(xiàn)反射式照明與高速無線光通信的結(jié)合。同時(shí)，一旦室內(nèi)環(huán)境發(fā)生改變，只需要重新計(jì)算星座圖即可。

4 結(jié)束語

通過所提優(yōu)化方法得到的基于色移鍵控的星座圖與3色獨(dú)立的OOK調(diào)制方式相比，相同信噪比下誤碼率更低。我們考慮了LED顏色和強(qiáng)度、LED非線性區(qū)域的約束。多徑效應(yīng)和顏色間的干擾采用奇異值分解的預(yù)均衡方法來消除。我們采用的廣義色移鍵控針對(duì)的是長(zhǎng)時(shí)間顏色的平均值進(jìn)行約束，能夠得到更高的自由度，從而能夠獲得性能大幅度的提升。

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最小歐式距離為2.82。

2.3 界面與信道不同

由于室內(nèi)可能有反射不同顏色的物體存在，直接從反射界面觀察到的顏色與信道的脈沖響應(yīng)不一定成比例。假設(shè)[ηR=1， ηG=0.9， ηB=0.8]，[jβRj=0.8，jβGj=0.9 jβBj=1]。

經(jīng)過優(yōu)化之后的星座圖如下：

最小歐式距離為2.56。

3 效果評(píng)估

我們計(jì)算了誤碼率隨光學(xué)信噪比的變化。光學(xué)信噪比[15]定義為[γo=10log10PoNbN0]。結(jié)果顯示在圖3、圖4中。圖3是誤碼率（BER）隨信道顏色的變化，[ηR=1， ηG=1-δ，][ ηB=1-2δ]，[jβRj=1，jβGj=1- jβBj][=1-2δ]，表明了在光學(xué)信噪比固定在10 dB的情況下，隨著信道顏色偏移越大，為了得到目標(biāo)顏色而使得誤碼率增大，我們使用奇異值分解的星座圖的效果要優(yōu)于使用迫零（ZF）檢測(cè)的OOK的結(jié)果。圖4是[δ=0.1]時(shí)BER隨著光學(xué)信噪比變化的結(jié)果。

環(huán)境中的顏色越不均衡，優(yōu)化的星座圖相對(duì)于OOK調(diào)制的效果就越好。這樣使得在一些不均衡的環(huán)境中，如冷色調(diào)裝飾的或者墻壁泛黃的房間中，我們?nèi)匀豢梢詫?shí)現(xiàn)反射式照明與高速無線光通信的結(jié)合。同時(shí)，一旦室內(nèi)環(huán)境發(fā)生改變，只需要重新計(jì)算星座圖即可。

4 結(jié)束語

通過所提優(yōu)化方法得到的基于色移鍵控的星座圖與3色獨(dú)立的OOK調(diào)制方式相比，相同信噪比下誤碼率更低。我們考慮了LED顏色和強(qiáng)度、LED非線性區(qū)域的約束。多徑效應(yīng)和顏色間的干擾采用奇異值分解的預(yù)均衡方法來消除。我們采用的廣義色移鍵控針對(duì)的是長(zhǎng)時(shí)間顏色的平均值進(jìn)行約束，能夠得到更高的自由度，從而能夠獲得性能大幅度的提升。

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