[发明专利]一种单输入单输出可见光通信系统的星座设计方法

说明书

本发明给出了一种单输入单输出可见光通信系统的星座设计方法。所述方法基于室内单输入单输出可见光通信系统模型，考虑光强信号的非负性，峰值光强有限以及均值光功率有限三个约束条件，通过求解系统互信息量最大值优化问题，利用拉格朗日乘子法进行分析，得到一种容量可达的最优星座设计方法。采用本方法，在相同光功率约束条件下，单输入单输出可见光通信系统得到更大的信道容量。

技术领域

本发明涉及一种单输入单输出可见光通信系统的星座设计，属于可见光通信技术领域。

背景技术

目前关于有关单输入单输出可见光通信系统中的容量分析与星座设计，大多数从容量上下界角度研究，直接对容量进行分析求解的较少，另一方面，对容量可达时最优信号调制方式的研究方法更少，难以满足实际可见光系统中信号调制方式的设计需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种单输入单输出可见光通信系统的星座设计方法，基于单输入单输出可见光系统模型，提出了接收信号熵函数最大化模型，然后通过拉格朗日乘子法将有等式约束的优化问题转化为无等式约束的优化问题，通过分析最优解的等式约束条件以及熵函数随调光因子的变化规律，给出了容量可达时最优星座调制设计。

为了解决上述问题，本发明给出一种单输入单输出可见光通信系统的星座设计方法，包括如下步骤：

步骤A：建立单输入单输出可见光通信系统SISO-VLC模型，此模型表述为：

Y＝X+Z

其中，Z是独立于输入信号X的噪声，服从均值为零、方差为σ²的高斯分布，即X是输入光强信号，为有限离散调制，概率密度函数为：

其中δ(·)表示狄拉克函数，N表示调制星座点数量，满足等概取值，x_i，i＝1，…，N表示星座点的位置坐标，满足非负性约束和峰值有限约束，即：

0≤x₁＜x₂＜…＜x_N≤A

其中，A表示峰值光功率，ξ表示调光系数，满足ξ∈[0，1]；接收信号Y的概率密度函数为：

其中exp(·)表示指数函数；

步骤B：根据步骤A中SISO-VLC系统模型建立系统互信息量最大化模型，模型表述为：

约束条件：

0≤x₁＜x₂＜…＜x_N≤A

其中H(Y)是SISO-VLC系统接收信号Y熵函数，为星座位置x₁，x₂，…，x_N的泛函，其表达式为：

其中log(·)表示对数函数；

步骤C：利用拉格朗日乘子法，将步骤B中给出的有等式约束问题转化无等式约束的互信息量最大化模型求解，并给出最优解满足的充要条件以及调光因子对星座点位置的影响规律，求解过程如下：

步骤C-1：互信息量最大化模型的拉格朗日函数为：