基于CSK調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)的盲檢測(cè)算法研究

2014-12-13 00:46:28賈林瓊王俊波陳明

中興通訊技術(shù) 2014年6期

賈林瓊+王俊波+陳明

中圖分類號(hào)：TN929.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1009-6868 （2014） 06-0021-004

摘要：基于IEEE 802.15.7標(biāo)準(zhǔn)中色移鍵控（CSK）調(diào)制通信系統(tǒng)的檢測(cè)方案，利用CSK調(diào)制的特性，提出了一種新的盲檢測(cè)算法。該盲檢測(cè)算法，利用CSK調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)在沒有信道信息的情況下也可以對(duì)CSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，省略了信道估計(jì)模塊，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。仿真發(fā)現(xiàn)，這種盲檢測(cè)算法具有較好的誤碼率性能。

關(guān)鍵詞：可見光通信;色移鍵控;盲檢測(cè)方案

Abstract：? Color shift keying （CSK） is a modulation scheme proposed in IEEE 802.15.7. CSK is applicable to visible light communication systems with RGB LEDs. We propose a novel blind detection algorithm based on CSK modulation. This algorithm can demodulate a CSK signal by using the properties of CSK modulated signals in the absence of channel information. Simulation results show that the blind detection algorithm simplifies the system module and has better bit error rate performance.

Keywords：visible light communication; color shift keying; blind detection scheme

通信系統(tǒng)對(duì)信息傳輸速率的要求的提高與日益緊張的無(wú)線電頻譜資源之間的矛盾使可見光通信成為未來(lái)室內(nèi)通信的必然發(fā)展趨勢(shì)?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)最初是由日本KEIO大學(xué)的Nakagawasu所領(lǐng)導(dǎo)的課題組于2000年提出的，2003年他們成立了可見光通信協(xié)會(huì)（VLCC）[1-2]。在可見光通信系統(tǒng)中，信號(hào)源發(fā)光二極管（LED）燈分為兩種，一種是黃磷激發(fā)發(fā)出白光的LED燈，另外一種是由紅綠藍(lán)3原色合成的白光LED燈，簡(jiǎn)稱RGB LED[3]。文獻(xiàn)[6-9]中介紹了可應(yīng)用于白光LED通信系統(tǒng)的不同調(diào)制方式。針對(duì)RGB LED通信系統(tǒng)，IEEE標(biāo)準(zhǔn)提出了一種調(diào)制方案——色移鍵控（CSK）調(diào)制。IEEE 802.15.7中詳細(xì)介紹了CSK調(diào)制的系統(tǒng)模型、通信原理、星座點(diǎn)設(shè)計(jì)等內(nèi)容[4]，但是該標(biāo)準(zhǔn)并沒有對(duì)CSK調(diào)制系統(tǒng)的檢測(cè)方案做詳細(xì)研究。在CSK的星座點(diǎn)優(yōu)化與系統(tǒng)設(shè)計(jì)等相關(guān)文獻(xiàn)[12-14]中，檢測(cè)方案都假設(shè)為最大似然檢測(cè)。此外，IEEE 802.15.7標(biāo)準(zhǔn)指出，CSK調(diào)制系統(tǒng)中需要信道估計(jì)模塊，用來(lái)估計(jì)系統(tǒng)增益與多顏色信道之間的干擾。本文提出了的盲檢測(cè)算法，利用CSK調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)在沒有信道信息的情況下也可以對(duì)CSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，簡(jiǎn)化了通信系統(tǒng)。

需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，IEEE標(biāo)準(zhǔn)中提出的CSK調(diào)制方案并不僅限于紅綠藍(lán)（RGB）3種顏色，滿足約束條件的3色LED都可以用于CSK調(diào)制。目前市場(chǎng)中最常見的3色LED燈是RGB LED燈，因此，本文中的系統(tǒng)模型以及調(diào)制解調(diào)算法都是以RGB LED為例說(shuō)明的。

1 系統(tǒng)模型

IEEE標(biāo)準(zhǔn)中CSK系統(tǒng)的系統(tǒng)模型如圖1所示。

設(shè)色移鍵控CSK調(diào)制階數(shù)為[M]，M-CSK調(diào)制的星座點(diǎn)集合為[A]，[A={s1，s2，…，sM}]。[A]中的每個(gè)符號(hào)都是一個(gè)向量[si=（pr，pg，pb）]，[pr，pg，pb]分別代表了紅綠藍(lán)3色LED燈發(fā)光功率。設(shè)[P]為發(fā)送端的總平均發(fā)送功率。此外，紅綠藍(lán)3色 LED的各自的平均功率設(shè)為[pC，pC，pC]，表示合成光的顏色為白光。

由于可見光通信系統(tǒng)兼具有照明和通信兩項(xiàng)功能，因此在在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)需要保證該系統(tǒng)的照明功能。RGB LED做光源的通信系統(tǒng)要保證正常的通信功能需要滿足3個(gè)條件[3]：

（1）沒有閃爍

（2）光源的發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定

（3）光源的色彩穩(wěn)定（一般希望光源保持在白光）

首先，通常人眼能感覺到的光源的閃爍頻率[F]通常小于200 Hz [3]，設(shè)可見光通信的符號(hào)周期為[Ts]，一般情況下[1Ts?F]，因此，人眼一般是不會(huì)到閃爍的。

其次，為使光源的發(fā)光強(qiáng)度保持穩(wěn)定，CSK調(diào)制信號(hào)需要滿足條件：

[pr+pg+pb=P] ? ?（1）

即任意時(shí)刻RGB LED的總功率的保持為[P]。最后，為了保證光源的色彩穩(wěn)定性，CSK調(diào)制信號(hào)需要滿足條件：

[1Mi=1Msi=（pC，pC，pC）] ? ?（2）

將CSK調(diào)制系統(tǒng)的信道建模為：

[H=hr，rhr，ghr，bhg，rhg，ghg，bhb，rhb，ghb，b] ? ?（3）

信道H中的元素[hij]表示[i]色光檢測(cè)器與[j]色光源之間的關(guān)系。設(shè)紅綠藍(lán)RGB 3色光檢測(cè)器的噪聲為獨(dú)立同分布的零均值高斯白噪聲，即[nr，ng，nb～N（0，σ2）]，噪聲向量用[n=（nr，ng，nb）]表示。則接收信號(hào)可以表示為：

[r=（rr，rg，rb）=Hsi+n] ? ?（4）

其展開形式可以表示為：

[rrrgrb=hr，rhr，ghr，bhg，rhg，ghg，bhb，rhb，ghb，bprpgpb+nrngnb] ?（5）

2 標(biāo)準(zhǔn)中的檢測(cè)算法

IEEE802.15.7標(biāo)準(zhǔn)中，假設(shè)信道矩陣H可以通過(guò)信道估計(jì)模塊估計(jì)出來(lái)且假設(shè)信道估計(jì)無(wú)誤差，那么在接收端進(jìn)行解調(diào)之前，先對(duì)接收信號(hào)r進(jìn)行信道校準(zhǔn)，即：

[r=H-1r=hr，rhr，ghr，bhg，rhg，ghg，bhb，rhb，ghb，b-1rrrgrb] ?（6）

然后用校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)[r]進(jìn)行解調(diào)。CSK信號(hào)解調(diào)算法為最小距離檢測(cè)算法，即將與[r]歐幾里得距離最近的星座點(diǎn)作為發(fā)送信號(hào)的估計(jì)。

[s=argmaxsi∈Ar-si] ? ?（7）

3 盲檢測(cè)算法

本章首先討論色移鍵控系統(tǒng)的信道H的性質(zhì)，然后根據(jù)信道性質(zhì)確定相應(yīng)的盲檢測(cè)算法。

3.1 信道模型

假設(shè)可見光信號(hào)的直流增益[H（0）]（光功率衰落）在整個(gè)可將光光譜頻段平坦，具體算法見文獻(xiàn)[1]。CSK調(diào)制系統(tǒng)用紅（r），綠（g），藍(lán)（b）3種不同顏色（波長(zhǎng)）的光信號(hào)傳輸信息，假設(shè)信道是理想的（紅-綠-藍(lán)3色信道是正交的），那么信道可以H表示為：

[H=H（0）100010001] ? ?（8）

但是，在實(shí)際通信系統(tǒng)中，由于光源的發(fā)射光譜與對(duì)應(yīng)光接收器中濾光片的透光率不完全匹配，光檢測(cè)器可能檢測(cè)到其他光源發(fā)出的部分干擾信號(hào)，因此，不同顏色的信道之間存在干擾。

假設(shè)CSK通信系統(tǒng)的紅綠藍(lán)3色LED發(fā)光頻譜與紅綠藍(lán)3色光檢測(cè)器端的濾光片的透光率如圖2所示，圖中實(shí)線分別表示紅綠藍(lán)3色LED發(fā)射光的光譜[Sr（λ），Sg（λ），Sb（λ）]，即LED在不同的波長(zhǎng)下的光強(qiáng)度分布。發(fā)射光譜將光源光譜的峰值設(shè)為1（即歸一化處理）。光檢測(cè)器部分的紅綠藍(lán)3色濾光片的透光率分別用[Rr（λ），Rg（λ），Rb（λ）]表示，透光率表示對(duì)于不同波長(zhǎng)的光可通過(guò)濾光片的比例，因此透光率都是小于1的實(shí)數(shù)。

定義RGB 3色信道的關(guān)系矩陣[HI]為：

[HI=h′r，rh′r，gh′r，bh′g，rh′g，gh′g，bh′b，rh′b，gh′b，b] ? ?（9）

[h′i，j]表示濾光片顏色為[i]的光檢測(cè)器與顏色為[j]的光源之間的關(guān)系。[h′i，j]可以通過(guò)濾光片和光源的光譜特性粗略估計(jì)出來(lái)，如：

[h′i，j=Si（λ）Rj（λ）dλSi（λ）dλ] ? ?（10）

綜上，CSK調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)的信道矩陣可以表示為：

[H=H（0）HI] ? ?（11）

需要說(shuō)明的是，紅綠藍(lán)（RGB）LED和紅綠藍(lán)（RGB）濾光片的光譜特性主要由制造工藝與材料決定，其次還會(huì)隨溫度變化和使用時(shí)間的增長(zhǎng)而浮動(dòng)。因此在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中，需要對(duì)信道矩陣進(jìn)行估計(jì)。

3.2 理想信道中的盲檢測(cè)算法

當(dāng)CSK調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)的信道矩陣為理想矩陣時(shí)，利用CSK調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)可以對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行盲檢測(cè)。接收端的檢測(cè)信號(hào)為[r=（rr，rg，rb）]，那么接收信號(hào)的相對(duì)值可以表示為[r*=（r*r，r*g，r*b）]，其中：

[r*r=rrrr+rg+rbr*g=rgrr+rg+rbr*b=rbrr+rg+rb]

利用接收信號(hào)的相對(duì)值[r*=（r*r，r*g，r*b）]作為最小距離檢測(cè)器的輸入。檢測(cè)結(jié)果為：

[s=argmaxsi∈Ar*-siP] ? ?（12）

其中，[siP]是在接收端已知的先驗(yàn)知識(shí)。

IEEE 802.15.7標(biāo)準(zhǔn)中的CSK調(diào)制系統(tǒng)需要對(duì)信道[H]估計(jì)，因此該通信系統(tǒng)中需要設(shè)計(jì)信道估計(jì)模塊，傳輸信號(hào)中需要插入信道估計(jì)序列，這使得系統(tǒng)復(fù)雜度提高，信息傳輸速率降低。

因此，當(dāng)CSK的3色信道接近正交時(shí)，采用盲檢測(cè)算法可以降系統(tǒng)的復(fù)雜度并提高信息傳輸速率。

3.3 非理想信道的盲檢測(cè)算法

對(duì)于非理想信道，即多色信道之間的干擾較大時(shí)，可以根據(jù)紅綠藍(lán)LED光源和紅綠藍(lán)3色濾光片的光譜性能估計(jì)信道關(guān)系矩陣[HI]，設(shè)估計(jì)值為[HI]，然后用[HI]來(lái)補(bǔ)償多色信道的干擾。補(bǔ)償方法同。

[r=H-1Ir*] ? ?（13）

利用補(bǔ)償過(guò)的信號(hào)相對(duì)值[r]作為信號(hào)檢測(cè)器的輸入：

[s=argmaxsi∈Ar-siP] ? ?（14）

其中，紅綠藍(lán)LED光源和紅綠藍(lán)3色濾光片的光譜性能是CSK系統(tǒng)的硬件參數(shù)。信道關(guān)系矩陣的估計(jì)值[HI]是固定值，而真實(shí)的[HI]是雖時(shí)間變化的，4中的仿真研究了經(jīng)過(guò)[HI]補(bǔ)償?shù)臋z測(cè)算法的性能。

4 仿真結(jié)果

下面給出4、8、16階CSK調(diào)制信號(hào)在不同的檢測(cè)算法下的誤碼性能曲線。

首先，當(dāng)信道矩陣可以表示為時(shí)（即紅綠藍(lán)3色信道正交且等價(jià)），4、8、16階的CSK調(diào)制信號(hào)分別用標(biāo)準(zhǔn)中檢測(cè)算法和3.2中提出的盲檢測(cè)算法解調(diào)時(shí)的誤碼率曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出，盲檢測(cè)算法的性能略次于標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)算法的性能（2 dB左右）。但盲檢測(cè)算法可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)并省略信道估計(jì)序列。另外由于光通信系統(tǒng)中的光信噪比（OSNR）通常比較高，盲檢測(cè)算法可以滿足誤碼率的要求。因此，盲檢測(cè)算法有一定的優(yōu)勢(shì)。

下面的仿真結(jié)果對(duì)比了非理想信道下的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)算法、3.2節(jié)中的盲檢測(cè)算法和3.3節(jié)中提出的有信道關(guān)系矩陣[HI]做補(bǔ)償?shù)拿z測(cè)算法的誤碼率性能。假設(shè)對(duì)于非理想信道（3色信道不均衡且存在干擾），信道關(guān)系矩陣[HI]的估計(jì)值[HI]為：

[HI=10000.80.1500.150.8] ? ?（15）

在仿真中假設(shè)信道關(guān)系矩陣的真實(shí)值[Hr]與估計(jì)值[HI]的每個(gè)元素之間的誤差服從[（-0.5，0.5）]的均勻分布。仿真結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，有信道關(guān)系矩陣（CRM）做補(bǔ)償?shù)拿ば诺罊z測(cè)算法雖然沒有IEEE標(biāo)準(zhǔn)中原始的檢測(cè)算法性能好，但是比3.2節(jié)中沒有補(bǔ)償?shù)拿ば诺罊z測(cè)算法性能提高很多。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了理想信道中CSK調(diào)制信號(hào)的可見光通信系統(tǒng)的盲檢測(cè)算法，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了信息傳輸速率。另外本文對(duì)非理想信道進(jìn)行建模并提出了信道關(guān)系矩陣的概念，在信道非理想的情況用信道關(guān)系矩陣對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，然后再進(jìn)行盲檢測(cè)。仿真結(jié)果說(shuō)明，理想信道下CSK盲檢測(cè)算法的性能大約比非盲檢測(cè)差2 dB。非理想信道下，用信道關(guān)系矩陣進(jìn)行補(bǔ)償后的盲檢測(cè)算法性能有了很大的提高。

因此，當(dāng)可見光通信系統(tǒng)采用CSK調(diào)制時(shí)，如果LED光源與光檢測(cè)器的濾光片性能較好，CSK信號(hào)的3色信道接近正交，那么完全可以用盲檢測(cè)算法取代標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)算法;如果LED光源與光檢測(cè)器的濾光片性能一般，那么可以計(jì)算信道關(guān)系矩陣，在接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，然后再做盲檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1] AKANEGAWA M， TANAKA Y， NAKAGAWA M. Basic study on traffic information system using LED traffic lights [J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2001，2（4）： 197-203.

[2] TOSHIHIKO K. Fundamental Analysis for Visible-Light Communication System using LED Lights [J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 2004，50（1）：20-28.

[3] RAJAGOPAL S， ROBERTS R， LIM S K. IEEE 802.15.7 visible light communication： modulation schemes and dimming support [J]. IEEE Communications Magazine， 2012，50（2）： 72-82.

[4] ASSOCIATION I S. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks-Part 15.7： Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light [S]. IEEE， 2011.

[5] QUINTANA C， GUERRA V， RUFO J， RABADAN J， PEREZ-JIMENEZ R. Reading lamp-based visible light communication system for in-flight entertainment [J]. IEEE Trans. Consum. Electron.， 2013，59（1）： 31-37.

[6] LEE K. Modulations for visible light communications with dimming control [J]. IEEE Photon. Technol. Lett.， 2011，23（16）： 1136-1138. doi：10.1109/LPT.2011.2157676.

[7] NTOGARI G， KAMALAKIS T， WALEWSKI J W， SPHICOPOULOS T. Combining illumination dimming based on pulse-width modulation with visible-light communications based on discrete multitone [J]. IEEE J. Opt. Commun. Netw.， 2011，3（1）： 56-65.

[8] WU F M. 1.1 Gb/s white-LED-based visible light communication employing carrier-less amplitude and phase modulation [J]. IEEE Photon.Technol. Lett.， 2012，24（19）： 1730-1732.

[9] NEOKOSMIDIS I， KAMALAKIS T， WALEWSKI J W， INAN B. Sphicopoulos T. Impact of nonlinear LED transfer function on discrete multitone modulation： Analytical approach [J]. Lightw. Technol.， 2009，27（22）： 4970-4978.

[10] ARNON S. The effect of clock jitter in visible light communication applications [J]. Lightw. Technol.， 2012，30（21）： 3434-3439.

[11] DING J P. Evolutionary algorithm-based optimisation of the signal-to-noise ratio for indoor visible-light communication utilizing white light-emitting diode [J]. IET Optoelectron.， 2012，6（6）： 307-317. doi： 10.1049/iet-opt.2012.0044.

[12] COSSU G， KHALID A M， CHOUDHURY P， CORSINI R， CIARAMELLA E. Long distance indoor high speed visible light communication system based on RGB LEDs[C]//Proceedings of the Asia Commun.Photon. Conf.， 2012：1-3.

[13] DROST R J， SADLER B M. Constellation design for color-shift keying using billiards algorithms[C]//Proceedings of the IEEE GLOBECOM Workshops， 2010： 980-984.

[14] MONTERIRO E， HRANILOVIC S. Constellation design for color-shift keying using interior point methods[C]//Proceedings of the IEEE GLOBECOM Workshops， 2012：1224-1228.