一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法

本发明涉及可见光通信预编码，特别是一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法。

背景技术：

1、空间调制可见光通信接收机最优检测算法为最大似然检测，当发射机已知信道状态信息时，可对发射信号进行编码，使发射信号更加适合该信道下的传输，进一步提升最大似然检测的性能。然而，若将mimo可见光通信的预编码方法直接适用到空间调制可见光通信中时，会破坏空间调制可见光通信的发射信号结构，这对空间调制可见光通信预编码提出了新的要求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法，本发明方法，发射机通过对发射信号进行预编码处理，使之更适合当前可见光信道，可提升接收机最大似然检测的误码性能，同时复杂度低，计算量小。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、根据本发明提出的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法，

4、对采用最大似然检测的空间调制接收机，建立最小星座距离最大化模型a1；

5、a1以最大化最小星座距离为目标，以led光功率约束和信号的非负约束为限制，通过等价代换将a1转换为第一非凸二次规划模型a2，并采用凸逼近方法求解a2；

6、将所述a2近似为线性约束，转换为第二非凸二次规划模型a3，并采用迭代法求解所述a3，根据a3的解得到最小星座距离最大化模型a1的解，该解即为可见光通信预编码。

7、作为本发明所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法进一步优化方案，所述a1为：

8、

9、其中，p为预编码矩阵，且p为对角阵，即为nt×nt欧氏空间，nt表示发射led的个数，nr表示接收端光电检测器的数目，按顺序为从左上角到右下角的对角线元素，为预编码权重，pa为第a个预编码权重，1≤a≤nt，diag()表示将向量依顺序变为对角阵，对角线上为向量的元素；将对角线元素写成向量形式(·)t表示矩阵或向量的转置，p为预编码向量，满足p＝diag(p)；h表示mimo可见光信道，为nr×nt欧氏空间；||·||表示向量的模；tr(·)表示矩阵的迹；xm表示第m个发送的空间调制符号，xn第n个发送的空间调制符号，xm＝sjei，sj为第j个脉冲幅度调制符号，共有m阶，ei为第i个led选择向量，ei共有n种类型，n＝2l且l表示led选择比特的个数，表示向下取整，ei＝[0,0,..,1,...,0]t为第i个元素为1的单位向量，m与i和j的关系为m＝(i-1)×m+j，由于1≤i≤n,1≤j≤m且n＝2l，所以1≤m≤nm，发送的空间调制符号共有nm种；表示发送的空间调制符号经过预编码和可见光信道后的最小星座距离；tr(ptp)≤nt为预编码矩阵的功率约束，p≥0为预编码矩阵的非负约束；约束条件中的≤，左右两边为标量时，表示标量满足不等式，左右两边为向量时，表示向量对应元素满足不等式，一边为标量另一边为向量时表示向量的每个元素都要和标量满足不等式。

10、作为本发明所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法进一步优化方案，所述a1转换为非凸二次规划模型a2的具体过程如下：

11、

12、其中，t为辅助变量。

13、作为本发明所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法进一步优化方案，求解所述a2的具体步骤如下：

14、步骤b-1：化简||hp(xn-xm)||2≥t中的||hp(xn-xm)||2，得到：

15、||hp(xn-xm)||2＝ptrmnp，

16、其中，矩阵rmn＝hth⊙(xn-xm)(xn-xm)t，⊙表示矩阵的hadamard积。

17、作为本发明所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法进一步优化方案，将所述a2转换为非凸二次规划模型a3：

18、

19、作为本发明所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法进一步优化方案，采用迭代法求解所述a3，具体步骤如下：

20、首先设置第0次迭代的初始预编码向量p0，设已经获得第k次迭代的可行解pk，在第k+1次迭代时，对非凸约束ptrmnp≥t凸近似，具体为：

21、

22、其中，pk+1为第k+1次迭代的可行解；

23、对于第k+1次迭代，求解凸二次规划模型a3：

24、

25、步骤b-4：经过多次迭代，当满足|pk+1-pk|≤ε时，或迭代达到最大迭代次数itermax时，停止迭代，ε为停止阈值，模型a3的解为p＝pk+1或p＝pitermax，pitermax为第itermax次迭代的可行解，由此得到最小星座距离最大化模型a1的解p＝diag(p)。

26、作为本发明所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法进一步优化方案，所述初始预编码向量p0为全1向量。

27、作为本发明所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法进一步优化方案，所述停止阈值ε＝10-4。

28、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

29、本发明给出一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法，所述方法对采用最大似然检测的空间调制接收机，建立预编码模型；所述模型以最大化最小星座距离为目标，以led光功率约束和信号的非负约束为限制；通过等价代换将所述模型变换为非凸二次约束优化模型，并采用凸逼近方法，求解所述非凸二次约束优化模型；所述凸逼近方法将非凸二次约束近似为线性约束，通过多次迭代，求解所述非凸二次约束优化模型。采用本发明方法，发射机通过对发射信号进行预编码处理，使之更适合当前可见光信道，可提升接收机最大似然检测的误码性能，同时，预编码矩阵为对角阵，复杂度低，计算量小。

技术特征：

1.一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法，其特征在于，所述a1为：

3.根据权利要求2所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法，其特征在于，所述a1转换为非凸二次规划模型a2的具体过程如下：

4.根据权利要求3所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法，其特征在于，求解所述a2的具体步骤如下：

5.根据权利要求4所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法，其特征在于，将所述a2转换为非凸二次规划模型a3：

6.根据权利要求5所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法，其特征在于，采用迭代法求解所述a3，具体步骤如下：

7.根据权利要求6所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法，其特征在于，所述初始预编码向量p0为全1向量。

8.根据权利要求6所述的一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法，其特征在于，所述停止阈值ε＝10-4。

技术总结
本发明公开了一种基于最小星座距离最大化的可见光通信预编码方法，涉及可见光通信预编码技术领域，所述方法对采用最大似然检测的空间调制接收机，建立预编码模型；所述模型以最大化最小星座距离为目标，以LED光功率约束和信号的非负约束为限制；通过等价代换将所述模型变换为非凸二次约束优化模型，并采用凸逼近方法，求解所述非凸二次约束优化模型；所述凸逼近方法将非凸二次约束近似为线性约束，通过多次迭代，求解所述非凸二次约束优化模型。采用本发明方法，发射机通过对发射信号进行预编码处理，使之更适合当前可见光信道，可提升接收机最大似然检测的误码性能，同时，预编码矩阵为对角阵，复杂度低，计算量小。

技术研发人员：陈明,刘维丰
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23