四色可见光通信系统色移键控星座点优化照明方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明属于可见光通信的技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

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[α_l,α_u]，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s_opt，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s_opt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s_opt，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d_pre＝0；

(3)将所述s₀和d_pre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-d_pre|<σ，σ为判定阈值，则进 入步骤(5)，否则令s₀＝s，d_pre＝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：

$\left(\begin{array}{c}\frac{1}{N}Cs={\mathrm{\alpha c}}_1+c_2\\ \alpha \in \underset{i=1}{\overset{\infty }{U}}[{\alpha }_{l_i},{\alpha }_{u_i}]\end{array}\right)$

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：

(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：

$S_{opt}^L=\frac{L}{L_0}{S}_{opt}^{L_0};$

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：

$S_{opt}^{\prime }=\frac{L}{{\mathrm{kL}}_0}{S}_{opt}^{L_0}$

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，本发明方法中，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s_opt，若s_opt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s_opt中所有元素均小于1，则此时的L₀为最终确定的参考亮度。

本发明中，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[α_i,α_j]，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s_opt。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

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LED通常由红绿蓝黄(RGBA)四种颜色组成，混合白光用于照明时， 相应的三刺激值矩阵A_tv为3×4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。而现有的三色RGB系统的LED在混白光时，相应的A_tv为 3×3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。 因此与三色光通信系统相比，四色系统不仅仅多了一个波分复用信道(黄光信道)， 而且在指定的色温下合成白光，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，也可以很好地兼顾室内照明的 需求。

2、在优化星座点时创新性地引入了色温以及显色指数约束，使得合成的白光质 量更高。而现有的优化方案通常为RGB三色系统，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LED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α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。

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LED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

图1为四色可见光通信系统的收发机模型；

图2为本发明所提出的优化方法的逻辑框图；

图3为LZ4-03MA07型号的RGBA四色LED在固定色温下所对应的显色指数随 α的变化曲线；

图4为在图1所示的单组LED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；

图5为在图1所示的单组LED模型下得到的星座点最小欧氏距离随着色温的变 化曲线。

图6为在图1所示的单组LED模型下得到的误码率性能与RGB三色系统下的误 码率的比较。

具体实施方式

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。

如图1所示，该四色可见光通信系统由单组四色LED组成，该组四色LED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 端的位置以及发射端所选用的LED，接收端透镜，滤光片以及APD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H＝[H_ij]_4×4,H_ij表示第j色LED到第i色接收管的 信道增益。在此例中，LED发射管采用LZ4-03MA07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，APD接收管采用 S5343。信道具体数值为：

$H=\left(\begin{array}{cccc}0.564& 0.004& 0& 0.020\\ 0& 1& 0.006& 0\\ 0& 0.013& 0.528& 0\\ 0.034& 0.017& 0& 0.492\end{array}\right).$

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温CT为 5000K，显色指数Ra_tar＝75，取参考亮度L₀＝100lm，所需设计的星座点个数M分别 为4/8/16，电路允许最大安全电流为1000mA。根据说明书方法流程进行如下操作：

(1)根据亮度非负性，亮度恒定约束，合成白光的色温及显色指数约束建立所 需优化的数学模型，如下所示：

$\left(\begin{array}{cc}{\max }_s& d_{\min }\\ s.t.& s^T{E}_{ij}^T{E}_{ij}s\ge d_{\min }^2,1\le i<j\le M\end{array}\right)$

色温:

亮度:

显色指数:Ra≥Ra_tar

幅度:0≤s≤1

其中，假设星座点为各色发射亮度，其总数为M，该M个星座点构成4M×1维 向量s，d_min表示星座点间的最小距离，E_ij包括单色最大亮度限制及信道信息，用于 选择第i和第j个星座点并求两者之差，a_CT表示目标色温下的白光在色域图CIEXYZ 上的坐标，C将各星座点对应的颜色强度累加，三刺激值矩阵A_tv将光强转化为色域 图CIEXYZ坐标。

(2)根据线性混光方程有：

A_tvs_CT＝a_CT

而在上式中可见矩阵表示为如下形式：

A_tv＝[A_(1:3)a₄],

代入上式有：

于是RGBA各功率比和黄光功率比存在如下线性关系：

s_CT＝αc₁+c₂

并结合显色指数的要求，遍历α，取得满足显色指数需求的可行域于是可将(1)中的问题转化为：在本例条件下如图3所示，α可行域为：65≤α≤124。 根据线性混光方程得出的结论，并且由于可将步骤(1)中的非凸条件 转化为可迭代优化的凸问题，可将步骤(1)中的问题转化为：

$\left(\begin{array}{cc}{\max }_s& d_{\min }\\ s.t.& 2s_{\left(0\right)}^T{E}_{ij}^T{E}_{ij}s-s_{\left(0\right)}^T{E}_{ij}^T{E}_{ij}{s}_{\left(0\right)}\ge d_{\min }^2,1\le i<j\le M\end{array}\right)$

色温&显色指数：

亮度：

幅度：0≤s≤1

(3)在α的每个可行域中对步骤(2)中的问题进行求解，分别求出各可行域中 的局部最优星座点及其对应的星座点间最小距离，比较这些局部最优星座点，选取其 中星座点间最小距离最大的一个作为全局最优星座点。

由于本例中获得的可行域为单区间，从而问题变为：

$\left(\begin{array}{cc}{\max }_s& d_{\min }\\ s.t.& 2s_{\left(0\right)}^T{E}_{ij}^T{E}_{ij}s-s_{\left(0\right)}^T{E}_{ij}^T{E}_{ij}{s}_{\left(0\right)}\ge d_{\min }^2,1\le i<j\le M\end{array}\right)$

色温&显色指数：

亮度：

幅度：0≤s≤1

因此只需求得该区间里的最优星座点即可作为最终的最优星座点。对于上述步骤 (2)中的迭代优化问题的求解具体可分为如下几步：

(1)任取一满足上述约束条件的初始星座点s₀，并令星座点间最小距离初始值 d_pre＝0，根据计算精度设置判定阈值σ，在此取判定阈值σ＝10^-4；

(2)将s₀和d_pre作为模型优化的初始量；

(3)对模型进行单次优化求解，获得满足条件的星座点s及其星座点间最小距离 d，如果满足|d-d_pre|<10^-4，可认为最小距离已基本不变，则进入步骤(4)，否则s₀＝s， d_pre＝d，返回步骤(2)；

(4)记录星座点s及d；

(5)重复步骤(1)-(4)优化N次，选取其中星座点间距离d最大的星座点作 为最优星座点s_opt。

对于参考亮度值L₀可进行如下选取：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s_opt，若s_opt中存在元素等于1，则令直至优化出的s_opt中 所有元素均小于1。本例中L₀＝100lm满足要求。

完成上述优化后对目标亮度L实施以下照明策略：

(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：

$S_{opt}^L=\frac{L}{L_0}{S}_{opt}^{L_0};$

此时记亮度控制因子各色驱动电流根据星座点亮度通过查表法获得；

如果照明亮度需求L>L₀，则启用k组四色灯组进行通信，每组目标星座点为：

$S_{opt}^{\prime }=\frac{L}{{\mathrm{kL}}_0}{S}_{opt}^{L_0}$

其中，为向下取整操作，此时记亮度控制因子各色驱 动电流根据星座点亮度同样通过查表法获得。

下面演示独立于光照亮度的照明策略。如前所述前面得到的最优星座点s_opt除了 亮度L₀有别于照明需求亮度，其余都能满足照明要求，将此星座点记为

1、假设时刻A所需照明亮度L＝80lm，则满足L≤L₀，启用一组RGBA灯组， 该组的目标星座点为各色LED驱动电流通过查表法获得；

2、假设时刻B所需照明亮度L＝450lm，则不满足L≤L₀，启用组 RGBA灯组，每组的目标星座点为各色LED驱动电流通过查 表法获得。

如图3所示，对于LZ4-03MA07型号的RGBA四色LED来说，在固定色温下的 显色指数的约束，α的可行域只有一个，并且不同的色温下，α的可行域一般也不同。 RGB三色LED实际上是RGBA四色LED在黄光不工作即α＝0时的特殊情况，无论 是冷光或是暖光，其显色指数一般较低。因此当引入黄光时能有效地提高合成白光的 显色指数，改善合成白光的质量。

如图4所示，在色温CT为5000K，显色指数Ra≥75时，该图为单组RGBA灯 组优化出的4/8/16CSK归一化最小距离以及取消黄光之后的RGB灯组优化出的 4/8/16CSK归一化最小距离随着亮度的变化关系。从图中可以看出，在照明亮度较小 时，归一化最小距离不变，而在照明亮度较大时，归一化距离在逐渐变小。这是因为 在亮度较小时，设计的星座点并没有使得驱动电流超过安全电流，在此线性范围内亮 度逐渐增加亮度，星座点也按比例增加；当亮度超过这个范围时，原星座点按比例增 加会超过驱动电流，因此需要进行重新设计优化，且可取空间相对变小。从图上可以 看出，示例中的L₀＝100lm落入线性范围，即设计的星座点并没有使得驱动电流超过 安全电流，满足L₀的选取要求。

如图5所示，在显色指数Ra≥75，参考亮度为100lm时，该图为单组RGBA灯 组优化出的4/8/16CSK归一化最小距离以及取消黄光之后的RGB灯组优化出的 4/8/16CSK归一化最小距离随着色温的变化关系。从图中可以看出RGBA的星座点间 最小距离明显大于RGB的星座点间最小距离。这是因为四色RGBA系统相比RGB 系统多出来一个黄光波段，即多出来一个自由度，因此可选的信号空间也被增大，设 计出的最优星座点的星座点间最小距离也就大。

如图6所示，该图为在色温CT为5000K，显色指数Ra≥75，参考亮度为100lm 时RGBA误比特率性能与RGB的误比特性能的比较。从图中可以看出由于RGBA系 统的信道间最小距离大于RGB系统，因此在误比特率方面有很大提升，而且在照明 质量方面，RGBA兼顾了显色指数Ra≥75的条件，而RGB系统则无法做到。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对 本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。