一种室内可见光通信系统的功率分配方法及设备

技术领域

本申请涉及光通信系统领域，尤其涉及一种室内可见光通信系统的功率分配方法及设备。

背景技术

随着社会的发展，室内通信的数据流量在不断提升，作为一种绿色通信技术，可见光通信(Visible Light Communications，VLC)系统主要利用可见光照射波段的光源作为信息传播媒体，兼顾照明功能的同时，通过发光二极管(light-emitting diode，LED)发射出高速改变的人眼难以察觉的光信号进行通信。多个LED阵列可以与接收端设备很自然的构成可见光多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Outpu，MIMO)系统。MIMO的分集增益和复用增益会使传输的可靠性和传输速率都得到有效的提升，还可以使空分多址得到实现，系统的通信容量得到有效的提升。

正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种可以将子载波之间的正交性充分利用的多载波调制技术，它可以提升传输速度并减少码间串扰(InterSymbol Interference，ISI)，具有极强的抗多径干扰能力。将MIMO与OFDM技术相结合应用于VLC系统，在提高数据速率和抗干扰能力上具有优越性。在MIMO-OFDM VLC系统中，用户不同数据流的增益大不相同，如果在发送阶段仍将相同的功率分配给用户数据流，则毫无疑问将造成功率损耗，并且会限制频谱效率和系统容量的提升，难以根据用户的信道状态分配适当的电信号功率，容易对系统中功率利用率以及频谱利用率造成资源的浪费。

发明内容

本申请实施例提供了一种室内可见光通信系统的功率分配方法及设备，用于解决如下技术问题：在MIMO-OFDM VLC系统中，难以根据自适应的调制阶数合理分配系统功率，造成了功率损耗，降低了系统的传输速率和信道容量。

本申请实施例采用下述技术方案：

一方面，本申请实施例提供了一种室内可见光通信系统的功率分配方法，包括：对预设可见光多输入对输出系统进行正交频分复用的多载波调制，构建自适应可见光通信系统；其中，所述自适应可见光通信系统包括：重复编码自适应可见光通信系统与空分复用自适应可见光通信系统；根据自适应可见光通信系统中的子载波调制阶数，对所述自适应可见光通信系统进行频谱效率计算，分别得到重复编码自适应可见光通信系统的第一频谱效率与所述空分复用自适应可见光通信系统的第二频谱效率；将预设萤火虫算法进行模拟退火操作以及收敛更新，得到混合萤火虫算法；通过所述混合萤火虫算法，对所述第一频谱效率以及所述第二频谱效率进行迭代优化，并进行频谱效率最大化的筛选，得到分配子载波功率；根据所述分配子载波功率以及所述子载波调制阶数，对所述自适应可见光通信系统中的信噪比进行对比计算，得到优化频谱效率，以确定所述自适应可见光通信系统中每个子信号通道上分配的功率。

本申请实施例通过室内MIMO-OFDM VLC自适应系统(自适应可见光通信系统)，该系统自适应的在重复编码(Repeat Coding，RC)和空分复用(Spatial Multiplexing，SMP)两种MIMO模式中进行选择，在满足目标BER的情况下，自适应的选择频谱效率大的MIMO模式，自适应的选择调制阶数，对功率进行分配。有利于根据用户具体的数据流发送不同的通信功率，减少了不必要的功率损耗，提升了频谱效率和MIMO-OFDM VLC自适应系统的容量，增强了功率资源的利用率以及系统的频谱利用率。

在一种可行的实施方式中，对预设可见光多输入对输出系统进行正交频分复用的多载波调制，构建自适应可见光通信系统，具体包括：基于所述可见光多输入对输出系统、正交频分复用技术以及可见光通信系统的相互结合，将预设PSK序列产生器产生的序列信号发送到OFDM调制器中；通过预设的低通滤波器，将所述序列信号进行信号滤波，得到滤波后的序列信号；通过预设的高斯滤波器，对所述滤波后的序列信号对应的电信号进行OFDM解调，确定出空分复用的序列信号，并构建出所述空分复用自适应可见光通信系统；所述自适应可见光通信系统由所述空分复用自适应可见光通信系统与所述重复编码自适应可见光通信系统组成。

在一种可行的实施方式中，在通过预设的低通滤波器，将所述序列信号进行信号滤波，得到滤波后的序列信号之后，所述方法还包括：根据重复编码中天线信息的不同，对所述滤波后的序列信号进行多次比特采样；将多次比特采样后的序列信号进行延迟处理；通过预设的高斯滤波器，对所述延迟处理后的序列信号对应的电信号进行OFDM解调，确定出重复编码的序列信号，并构建出所述重复编码自适应可见光通信系统。

在一种可行的实施方式中，根据自适应可见光通信系统中的子载波调制阶数，对所述自适应可见光通信系统进行频谱效率计算，分别得到重复编码自适应可见光通信系统的第一频谱效率与所述空分复用自适应可见光通信系统的第二频谱效率，具体包括：根据

在一种可行的实施方式中，在得到所述第一频谱效率SE

在一种可行的实施方式中，将预设萤火虫算法进行模拟退火操作以及收敛更新，得到混合萤火虫算法，具体包括：根据所述萤火虫算法中的随机初始值，对所述萤火虫算法进行全局最优搜索，得到若干较优全局值；对所述若干较优全局值进行模拟退火操作，得到最优全局值；将所述最优全局值更新到下一个萤火虫算法群体中，并进行反复迭代更新判断，得到所述混合萤火虫算法。

本申请实施例通过萤火虫算法(FA)具有更强的全局优化能力的特点，结合模拟退火算法(SA)的局部优化能力较强的特点，进行全局最优搜索的取长补短，大大提高了混合萤火虫算法的效率，能够迅速的找出全局最优解，增强了跳出局部最优解的能力。

在一种可行的实施方式中，通过所述混合萤火虫算法，对所述第一频谱效率以及所述第二频谱效率进行迭代优化，并进行频谱效率最大化的筛选，得到分配子载波功率，具体包括：根据

在一种可行的实施方式中，在根据所述分配子载波功率以及所述子载波调制阶数，对所述自适应可见光通信系统中的信噪比进行对比计算，得到优化频谱效率之前，具体包括：根据

在一种可行的实施方式中，根据所述分配子载波功率以及所述子载波调制阶数，对所述自适应可见光通信系统中的信噪比进行对比计算，得到优化频谱效率，具体包括：获取信噪比SNR与误比特率BER的相互关系中的目标误比特率值；根据所述目标误比特率值、所述重复编码信噪比γ

另一方面，本申请实施例还提供了一种室内可见光通信系统的功率分配设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有能够被所述至少一个处理器执行的指令，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一实施例所述的一种室内可见光通信系统的功率分配方法。

本申请实施例提供了一种室内可见光通信系统的功率分配方法及设备，通过室内MIMO-OFDM VLC自适应系统(自适应可见光通信系统)，该系统自适应的在重复编码(RepeatCoding，RC)和空分复用(Spatial Multiplexing，SMP)两种MIMO模式中进行选择，在满足目标BER的情况下，自适应的选择频谱效率大的MIMO模式，自适应的选择调制阶数，对功率进行分配。有利于根据用户具体的数据流发送不同的通信功率，减少了不必要的功率损耗，提升了频谱效率和MIMO-OFDM VLC自适应系统的容量，增强了功率资源的利用率以及系统的频谱利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种室内可见光通信系统的功率分配方法流程图；

图2为本申请实施例提供的一种室内MIMO VLC系统模型示意图；

图3为本申请实施例提供的一种LED阵列与PD接收端阵列的俯视示意图；

图4为本申请实施例提供的一种混合萤火虫算法流程图；

图5为本申请实施例提供的一种自适应MIMO-OFDM VLC系统结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种室内可见光通信系统的功率分配方法设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种室内可见光通信系统的功率分配方法，如图1所示，室内可见光通信系统的功率分配方法具体包括步骤S101-S105：

S101、对预设可见光多输入对输出系统进行正交频分复用的多载波调制，构建自适应可见光通信系统。其中，自适应可见光通信系统包括：重复编码自适应可见光通信系统与空分复用自适应可见光通信系统。

需要说明的是，图2为本申请实施例提供的一种室内MIMO VLC系统模型示意图，图3为本申请实施例提供的一种LED阵列与PD接收端阵列的俯视示意图，如图2以及图3所示，首先通过4个LED光源阵列组成了MIMO VLC系统的发射端，建立了室内MIMO VLC系统模型，用来简易说明室内可见光通信系统的组成。为了达到最佳的通信效果，只要符合室内照明标准，接收平面的光线分布应尽可能均匀，以防止出现通信盲区。如图2中的一个5m×5m×3m的室内房间，将xyz轴零点(0,0,0)设置在了地板中心点的位置，在天花板上放置4个LED，接收平面与地板的垂直高度为0.85m，有4个PD位于接收平面，其距离天花板的高度是2.15m。4个LED阵列和PD阵列的布局俯视图如图3所示。其中，PD为光源信号的接收端。每个LED阵列呈对称分布，且它们之间的距离可以调节。并选取图2所示的中心点来表示每个LED阵列的位置。

具体地，基于可见光多输入对输出系统、正交频分复用技术以及可见光通信系统的相互结合，将预设PSK序列产生器产生的序列信号发送到OFDM调制器中。通过预设的低通滤波器，将序列信号进行信号滤波，得到滤波后的序列信号。通过预设的高斯滤波器，对滤波后的序列信号对应的电信号进行OFDM解调，确定出空分复用的序列信号，并构建出空分复用自适应可见光通信系统。自适应可见光通信系统由空分复用自适应可见光通信系统与重复编码自适应可见光通信系统组成。

在一个实施例中，MIMO-OFDM VLC系统(见光多输入对输出系统、正交频分复用技术以及可见光通信系统)采用ACO-OFDM进行调制，基于ACO-OFDM的信号在时域中为正实数，因此只需要一个较小的直流偏置,来保证LED的亮度要求，可以降低整个系统的功耗，在构建空分复用自适应可见光通信系统的过程中，利用PSK序列产生器产生发送序列，之后送入OFDM调制器，再用低通滤波器对OFDM调制信号进一步进行滤波，到滤波后的序列信号，降低了符号间干扰。对LED进行光波调制，从而实现电光转换，之后利用FSO自由空间光学信道来模拟可见光信道，通过高斯滤波器，接收端检测到电信号后进行OFDM解调，OFDM解调器与发送端的OFDM调制器中的设置参数完全相同，以保证在输出端恢复出PSK信号，即空分复用的序列信号。

其中，在通过预设的低通滤波器，将序列信号进行信号滤波，得到滤波后的序列信号之后，根据重复编码中天线信息的不同，对滤波后的序列信号进行多次比特采样。将多次比特采样后的序列信号进行延迟处理。通过预设的高斯滤波器，对延迟处理后的序列信号对应的电信号进行OFDM解调，确定出重复编码的序列信号，并构建出重复编码自适应可见光通信系统。

在一个实施例中，在构建重复编码自适应可见光通信系统的过程中，同样利用PSK序列产生器产生发送序列，之后送入OFDM调制器，再用低通滤波器对OFDM调制信号进一步进行滤波，由于MIMO模式为RC(重复编码)，不同天线的信息在不同的时隙，且经过多次比特采样后，将滤波后的序列信号进行延迟处理，再进入利用FSO自由空间光学信道来模拟的光信号通道，之后用两个天线来接收信号，通过高斯滤波器，接收端检测到电信号后进行OFDM解调，再利用PSK解码恢复RC序列信号，即重复编码的序列信号。

S102、根据自适应可见光通信系统中的子载波调制阶数，对自适应可见光通信系统进行频谱效率计算，分别得到重复编码自适应可见光通信系统的第一频谱效率与空分复用自适应可见光通信系统的第二频谱效率。

具体地，根据

其中，在得到第一频谱效率SE

在一个实施例中，确定出在重复编码模式下的频谱效率(Spectral Efficiency，SE)，即第一频谱效率SE

PSK为序列信号，QAM为正交振幅调制，同时也是PSK与QAM均属于调制阶数的不同类型，例如调制阶数包括：2-PSK、4-QAM、8-QAM等等。

S103、将预设萤火虫算法进行模拟退火操作以及收敛更新，得到混合萤火虫算法。

具体地，根据萤火虫算法中的随机初始值，对萤火虫算法进行全局最优搜索，得到若干较优全局值；对若干较优全局值进行模拟退火操作，得到最优全局值。将最优全局值更新到下一个萤火虫算法群体中，并进行反复迭代更新判断，得到混合萤火虫算法。

在一个实施例中，图4为本申请实施例提供的一种混合萤火虫算法流程图，如图4所示，包括步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)。

其中，步骤(1)初始化算法参数：①萤火虫算法FA基本参数：萤火虫个数n，最大迭代次数(萤火虫进化次数MaxGen)，最大吸引度β

步骤(2)空间随机初始化萤火虫群体，更新确定萤火虫初始位置状态

步骤(3)萤火虫种群吸引进化：①根据公式

步骤(4)以收敛种群中较优的前k个萤火虫，即选取k个解进行模拟退火操作，进行局部最优搜索。包括：①产生每个萤火虫个体k的新解x′

步骤(5)进行退火冷却操作：iter＝iter+1，温度T＝DT。

步骤(6)判断是否iter>MaxGen，算法结束，否则循环步骤(3)～(5)。

在一个实施例中，通过萤火虫算法FA为总体框架，在空间内随机产生初始解，然后在其中进行全局最优搜索，对产生的较优全局解分别进行模拟退火操作，并更新到下一个萤火虫群体中。整个过程反复迭代更新判断，直到满足收敛条件为止。

S104、通过混合萤火虫算法，对第一频谱效率以及第二频谱效率进行迭代优化，并进行频谱效率最大化的筛选，得到分配子载波功率。

具体地，根据

进一步地，通过混合萤火虫算法，将第一目标函数值f

S105、根据分配子载波功率以及子载波调制阶数，对自适应可见光通信系统中的信噪比进行对比计算，得到优化频谱效率，以确定自适应可见光通信系统中每个子信号通道上分配的功率。

具体地，根据

进一步地，获取信噪比SNR与误比特率BER的相互关系中的目标误比特率值；根据目标误比特率值、重复编码信噪比γ

进一步地，将目标信噪比值分别与重复编码信噪比的比值、空分复用信噪比的比值进行数值判断，得到优化后的第一频谱效率以及优化后的第二频谱效率，具体包括：若目标信噪比值大于当前信噪比值，则增加自适应可见光通信系统中信号通道的分配子载波功率，直至目标信噪比值等于当前信噪比值。其中，当前信噪比值包括重复编码信噪比的比值以及空分复用信噪比的比值。若目标信噪比值小于当前信噪比值，则减少信号通道的分配子载波功率，直至目标信噪比值等于当前信噪比值。

表1

在一个实施例中，表1为在目标误比特率(BER)下最小的信噪比值(SNR)和调制阶数，通过表1中的子载波调制阶数以及对应的目标误比特率值的代入，来进行信噪比的计算，得到目标信噪比值。

进一步地，通过混合萤火虫算法，并根据数值判断后的分配子载波功率，分别对优化后的第一频谱效率以及优化后的第二频谱效率进行较大值的筛选，得到优化频谱效率，以确定自适应可见光通信系统中每个子信号通道上分配的功率。

在一个实施例中，在优化后的第一频谱效率以及优化后的第二频谱效率进行较大值的筛选时，根据

以及

在一个实施例中，图5为本申请实施例提供的一种自适应MIMO-OFDM VLC系统结构示意图，如图5所示，在满足BER目标的条件约束下，基于发射机侧可用的信道状态信息(CSI)，通过选择功率电平、调制阶数和MIMO模式来最大化SE。之后进行信号的发送，接收端接收到信号后进行相应的ACO-OFDM解调，并进行信道估计和均衡，最终得到传输的数据。

另外，本申请实施例还提供了一种室内可见光通信系统的功率分配设备，如图6所示，室内可见光通信系统的功率分配设备600具体包括：

至少一个处理器601。以及，与至少一个处理器601通信连接的存储器602；其中，存储器602存储有能够被至少一个处理器601执行的指令，以使至少一个处理器601能够执行：

对预设可见光多输入对输出系统进行正交频分复用的多载波调制，构建自适应可见光通信系统；其中，自适应可见光通信系统包括：重复编码自适应可见光通信系统与空分复用自适应可见光通信系统；

根据自适应可见光通信系统中的子载波调制阶数，对自适应可见光通信系统进行频谱效率计算，分别得到重复编码自适应可见光通信系统的第一频谱效率与空分复用自适应可见光通信系统的第二频谱效率；

将预设萤火虫算法进行模拟退火操作以及收敛更新，得到混合萤火虫算法；

通过混合萤火虫算法，对第一频谱效率以及第二频谱效率进行迭代优化，并进行频谱效率最大化的筛选，得到分配子载波功率；

根据分配子载波功率以及子载波调制阶数，对自适应可见光通信系统中的信噪比进行对比计算，得到优化频谱效率，以确定自适应可见光通信系统中每个子信号通道上分配的功率。

本申请实施例提供了一种室内可见光通信系统的功率分配方法及设备，通过室内MIMO-OFDM VLC自适应系统(自适应可见光通信系统)，该系统自适应的在重复编码(RepeatCoding，RC)和空分复用(Spatial Multiplexing，SMP)两种MIMO模式中进行选择，在满足目标BER的情况下，自适应的选择频谱效率大的MIMO模式，自适应的选择调制阶数，对功率进行分配。有利于根据用户具体的数据流发送不同的通信功率，减少了不必要的功率损耗，提升了频谱效率和MIMO-OFDM VLC自适应系统的容量，增强了功率资源的利用率以及系统的频谱利用率。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备、非易失性计算机存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本申请特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请的实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。