本发明专利技术公开了一种四色可见光通信系统色移键控星座点优化照明方法，优化设计的目标是在提供高质量的照明条件的前提下，使得相应通信信道下的接收端星座点间的最小欧式距离（MED）最大化。本发明专利技术将照明所需的亮度，色温及显色指数的约束考虑在内，通过迭代优化算法对所需设计的星座点间的最小距离进行优化求解，得出最佳星座点，并针对该最佳星座点，提出了一种独立于照明亮度且能取得最优通信性能的照明策略。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于可见光通信的
，尤其涉及基于色移键控的四色可见光通信系统的星座点设计。
技术介绍
高亮度LED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LED的VLC收发机自然就形成了色域上的多输入多输出(CMIMO)信道，它具有高出单色信道数倍的信道容量。在IEEE802.15.7国际标准中提出了基于红绿蓝(RGB)三色LED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以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OFDM，PPM等其他VLC通信技术的一大优势。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LED合成方案逐渐取代了RGB三色LED合成方案。一方面，RGBA系统能够合成指定色温下的白光，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VLC通信系统在包括通信速率以及通信质量等通信性能方面可以获得极大提升。与传统的射频通信方式不同，由于LED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(interiorpointmethods)以及桌球算法(billiardsalgorithms)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以及直流工作点相结合的方式设计出了一种创新的CSK方式。但是这个方法均在RGB三色上考虑，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。当所用LED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，而当所需白光色温确定之后，RGB三色配比也即被固定，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。
技术实现思路
技术问题：本专利技术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这种四色LED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。技术方案：本专利技术的四色可见光通信系统色移键控星座点优化照明方法，在目标色温下遍历黄光LED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[αl,αu]，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。进一步的，本专利技术方法中，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sopt的具体方法为：按照以下步骤进行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sopt，K为迭代优化次数：(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温约束，亮度约束，显色指数约束以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；(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；(3)将所述s0和dpre作为色移键控星座点设计模型优化的初始量；(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|d-dpre|<σ，σ为判定阈值，则进入步骤(5)，否则令s0＝s，dpre＝d，返回步骤(3)；(5)记录星座点s及d，作为本次迭代优化结果。进一步的，本专利技术方法中，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：1NCs=αc1+c2α∈Ui=1∞[αli,αui]]]>其中，N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三色LED功率与黄光LED功率的一次项转换系数及常数项，表示满足色温和显色指数要求的黄光功率比的第i个可行子域。进一步的，本专利技术方法中，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：(1)记录参考亮度L0下的星座点(2)如果照明亮度需求L≤L0，则启用一组四色光组进行通信，其目标星座点为：SoptL=LL0SoptL0;]]>同时根据星座点亮度通过查表法获得各色驱动电流；如果照明亮度需求L>L0，则启用k组四色灯组进行通信，每组目标星座点S'opt为：Sopt′=LkL0SoptL0]]>其中，为向下取整操作；同时根据星座点亮度通过查表法获得各色驱动电流。进一步的，本专利技术方法中，所述参考亮度根据以下方法确定：任取一参考亮度值L0，随后进行星座点优化获得最优星座点sopt，若sopt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L0，否则令继续进行星座点优化，反复迭代，直至优化出的sopt中所有元素均小于1，则此时的L0为最终确定的参考亮度。本专利技术中，先确定所需优化的系统模型。首先确定色温(CT)以及显色指数(CRI)约束条件。根据所选取的RGBA四色LED型号的发光特性，遍历满足色温约束和显色指数约束的白光合成方程组的黄光LED的功率比α对应的所有可行域[αi,αj]，将非线性的显色指数约束转化为线性的黄光LED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sopt。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1、本专利技术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L本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种四色可见光通信系统色移键控星座点优化照明方法，其特征在于，该方法在目标色温下遍历黄光LED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[αl,αu]，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。
【技术特征摘要】
1.一种四色可见光通信系统色移键控星座点优化照明方法，其特征在于，该方
法在目标色温下遍历黄光LED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
[αl,αu]，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。
2.根据权利要求1所述的四色可见光通信系统色移键控星座点优化照明方法，
其特征在于，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的具体
方法为：按照以下步骤进行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sopt，K为迭代优化次数：
(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温约束，亮度
约束，显色指数约束以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；
(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；
(3)将所述s0和dpre作为色移键控星座点设计模型优化的初始量；
(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|d-dpre|<σ，σ为判定阈值，则进
入步骤(5)，否则令s0＝s，dpre＝d，返回步骤(3)；
(5)记录星座点s及d，作为本次迭代优化结果。
3.如权利要求1所述的四色可见光通信系统色移键控星座点优化照明方法，其
特征在于：根据下式将...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁霄，袁鸣，史锋峰，赵春明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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