[发明专利]四色可见光通信系统的预编码和驱动电流联合优化方法

说明书

技术领域

本发明属于无线光通信的技术领域，尤其涉及一种四色可见光通信系统的预编码和驱动电流联合优化方法。

背景技术

由于LED的低成本，长寿命和高功效，在现如今照明市场中LED正在迅速占据主要地位，替换了传统的照明设备。同时LED的快速切换能力也使得通过光传递宽带信号成为一种可能，并最终实现了室内可见光通信(VLC)。尽管使用磷激发白光LED的高速VLC系统已经实现，但是LED有限的调制带宽依然是VLC继续发展的一个瓶颈。因此，光的多输入多输出(OMIMO)的应用成为了未来继续提升VLC性能的一个重要因素。

实现光的多输入多输出(OMIMO)系统主要有两种途径，空间多输入多输出(SMIMO)和色域多输入多输出(CMIMO)。SMIMO信道主要是通过LED阵列在接收端PD阵列上成像实现；CMIMO信道由不同颜色光的波分复用产生。由于指定色温的照明白光可以通过不同的基色按一定的比例合成，在色域空间中相互平行的波分复用信道就得以存在。

相比于红绿蓝(RGB)三色LED，一种新的多色LED设备逐渐出现在VLC通信系统中。四色LED，通常由红绿蓝黄(RGBA)四种颜色组成，不仅仅比RGB三色LED多了一个波分复用信道，而且在指定的色温下合成白光，RGBA四色LED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。

与传统的射频不同，由于LED的驱动电流必须是单极性信号，这就导致LED的范围约束极为复杂。在VLC通信场景下，已有一些工作考虑预编码矩阵和驱动电流的联合优化设计。特别的，通过将LED动态范围约束近似为二次约束，有研究者提出通过半正定规划(SDP)的方法来解决预编码矩阵和偏置电流的联合优化问题。

当色光数目超过3时，考虑显色指数(CRI)约束，把非常复杂的非线性的CRI约束引入到预编码矩阵和偏置电流的联合优化问题中是一个很大的挑战。已有的工作只讨论了RGB三色LED通信系统下的优化，然后当色温CT被指定后，显色指数就不能进行调节，不能很好的满足室内照明的需求。

另外，现有的工作大多只考虑数据流数目与实际物理信道数目相等时，对预编码矩阵及偏置电流进行优化。当数据流数目小于实际物理信道数目时，针对目标VLC系统的估计信号的均方误差(MSE)将会得到更好的性能。

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，求得最优的预编码矩阵和偏置电流，使得四色可见光通信系统的估计信号的均方误差最小化，同时适用于数据流数小于实际物理信道数时情况的四色可见光通信系统的预编码和驱动电流联合优化方法。

技术方案：本发明的四色可见光通信系统的预编码和驱动电流联合优化方法，遍历满足色温约束和显色指数约束的黄光LED的功率α对应的所有可行域[α_i,α_j]，得到所有与α的可行域[α_i，α_j]对应的局部最优预编码矩阵，从中选取对应于最小均方误差的局部最优预编码矩阵作为四色可见光通信系统的最优预编码矩阵F_opt，选取对应于最小均方误差的局部最优驱动电流作为四色可见光通信系统的最优驱动电流b_opt；

其中对功率α每个可行域进行处理，确定与可行域[α_i,α_j]对应局部最优预编码矩阵的具体步骤为：

(1)根据下式所示的色温约束，选取可以混成白光的初始驱动电流b(0)：

KDb(0)＝α₀c₁+c₂

其中，K为将同色LED集合在一起的转换矩阵，D为LED驱动电流向量与光强向量的转换系数，α₀为初始黄光LED的功率，c₁、c₂分别为四色混白光时各单色LED功率与黄光LED功率的一次项转换系数和常数项转换系数；

(2)首先根据四色可见光通信系统的信道矩阵H和初始驱动电流b(0)，得到由预编码和驱动电流联合优化的目标函数、非负约束条件、色温与显色指数组成的照明约束条件、数据流数导致的秩约束条件，

然后根据所述目标函数和约束条件，建立预编码和驱动电流联合优化的模型，忽略Rank(Q)＝K这一秩约束条件，利用半正定规划问题的求解方法，获得局部的最优预编码协方差矩阵Q和最优驱动电流b；