[發明專利]一種多色MIMO-VLC比特功率分配星座設計方法

有效

• 申請號: 201810010178.2
• 申請日: 2018-01-05
• 公開（公告）號: CN108540180B
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 汪濤;肖曄;朱義君;田忠駿;鄭曉東;劉洛琨;梁進山;王小景
• 申請（專利權）人: 東莞信大融合創新研究院;中國人民解放軍戰略支援部隊信息工程大學
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B7/0426;H04B10/116
• 代理公司: 東莞卓為知識產權代理事務所(普通合伙) 44429
• 代理人: 梁年順

本發明公開了一種多色MIMO?VLC比特功率分配星座設計方法，該方法是在功率分配上，以最大化多用戶頻譜效率為目標函數，在給定CCT下，采用一定的凸優化算法計算得到多色LED芯片各個顏色之間的功率分配比例；本發明根據不同維度光功率的比例，采用比特功率分配的方法，設計了RGB三維多色MIMO?VLC的優化星座方法；本發明的優勢在于，可以進一步提高通信效率，通過對多色MIMO?VLC信號進行針對性的信號設計有效地提高頻譜效率，實現多色MIMO?VLC系統的通信速率提升。

技術領域

本發明涉及星座設計優化技術領域，具體為一種多色MIMO-VLC比特功率分配星座設計方法。

背景技術

目前普遍使用的白光LED光源主要分為兩種：第一種是在氮化鎵藍色芯片上涂覆黃色熒光粉，通過藍光激發黃色熒光粉得到白光，這種光源稱為基于熒光粉的LED光源(phosphor-converted LED,pc-LED)，它也是現今業界使用最廣的類型；第二種是多色芯片LED，利用三個或更多的單色LED芯片發射不同的單色光，并將不同單色光根據預定的比率混合在一起產生白光，典型的多色芯片LED有紅綠藍多色發光二極管(RGB-LED)、紅綠藍黃多色發光二極管(RGBY-LED)等。

雖然多色芯片LED較pc-LED結構更加復雜而且成本更高，但其在可見光通信領域里具有不同于pc-LED的幾個明顯優勢：1、多色芯片LED的調制帶寬是pc-LED的若干倍，可以實現更大容量的信息承載；2、多色芯片LED光源的色溫、顯色指數等參數可根據照明需求進行調節，能夠實現更大顏色動態范圍內的照明。

另一方面，目前的VLC通信系統中普遍采用了高頻譜效率的通信技術，如正交頻分復用技術(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)和多輸入多輸出技術(Multiple-Input Multiple-output,MIMO)等。由于多色LED發光器件(如RGB-LED、RGBA-LED)具有良好的天然MIMO結構，因此可以在不加大設備尺寸的情況下實現等效于空間分離MIMO-VLC的性能，甚至能夠在單燈多色MIMO的基礎上同時設計多燈的空間分離MIMO系統。多色LED的這一優良特性使得它成為了超越現有白光pc-LED的新型可見光通信光源器件，也讓進一步提高可見光通信速率成為可能。

多色芯片LED光源在實現通信的同時需要考慮到顏色合成的白光照明約束，眾多學者對此已進行過深入的研究。例如K.H.Park團隊提出了光功率約束下的MIMO-VLC通信系統的功率分配方法；中國科學技術大學團隊考慮到光功率約束和色度約束，對基于RGB-LEDs的VLC信號進行了星座設計，以及對光功率約束和色度約束下的點對點VLC通信系統的最大化傳輸速率進行了優化計算。但這些研究僅考慮了LED固定顏色色度坐標的情況，而事實上，適當范圍內放寬色度約束不會影響照明效果，且能在一定程度上提升LED的通信性能。因此，相關學者進一步考慮多色MIMO的光功率約束和照明色度約束范圍，針對不同顏色的光功率分配問題進行了研究?；诙嗌酒琇ED相關問題的這一新型可見光通信技術稱為：多色MIMO可見光通信技術。

清華大學信息技術實驗室考慮如所示的多用戶MISO通信系統。發送端LED共有多個多色芯片，每個芯片發出不同顏色的單色光且傳輸不同信息。接收端采用多個獨立的濾光片和光電二極管(Photo Diode,PD)進行信號接收。多路信號間不考慮相互串擾。

多用戶多色MISO-VLC系統的光功率分配問題主要考慮亮度、色度、幅度、誤比特率四種約束，通過最優化功率分配實現最大化多用戶總頻譜效率。問題求解過程中，由于色度約束限制在MacAdam橢圓區域內，因此原問題為一個非凸優化問題，通過對橢圓坐標進行極坐標轉化和引入松弛變量，原問題轉化為一個可快速求解的凸優化問題。經過大量數值仿真實驗，可以得出結論，不同CCT和總光功率下，達到最大多用戶總頻譜效率的最優功率分配比例基本保持不變。