基于色移键控的联合编码调制实验设计_李宗艳.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 4 期 2023 年 4 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.4 Apr.2023 收稿日期:2022-11-18 基金项目:教育部第二批新工科研究与实践项目（E-DZYQ20201416）；中国矿业大学“动力中国课程思政”示范课程（2022KCSZ31）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（2020QN15）作者简介:李宗艳（1982），女，山东临沂，博士，讲师，主要研究方向为 B5G/6G 通信关键技术，。引文格式:李宗艳，袁泽宇，雷小茜，等.基于色移键控的联合编码调制实验设计J.实验技术与管理,2023,40(4):90-95.Cite this article:LI Z Y,YUAN Z Y,LEI X Q,et al.Experimental design of the joint coded-modulation based on color-shift keyingJ.Experimental Technology and Management,2023,40(4):90-95.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.04.012 基于色移键控的联合编码调制实验设计 李宗艳，袁泽宇，雷小茜，李世银（中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116）摘 要：结合可见光通信这一未来高速无线通信的关键技术，提出了一种基于色移键控的联合编码调制实验设计方案。首先，对引入三角形划分方法构建三维多强度平面星座进行研究，提出了基于目标色约束的多强度平面色移键控星座设计方法。其次，给出了实验方案的建模，并进一步提出基于集合划分和有限状态机的高编码增益联合编码调制方法。最后，对所提方案的最小均方欧式距离进行了计算与分析。仿真结果表明，所提的联合编码调制方案显著改善了可见光通信系统的误码率性能。关键词：可见光通信；色移键控；有限状态机；Viterbi 算法；误码率 中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)04-0090-06 Experimental design of the joint coded-modulation based on color-shift keying LI Zongyan,YUAN Zeyu,LEI Xiaoqian,LI Shiyin(School of Information and Control Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)Abstract:Combining visible light communication,one of the key technologies of future high-speed wireless communication,this paper proposes a joint coded-modulation scheme that is based on the color-shift keying modulation.First,the construction of three-dimensional multiple intensity planes using triangle partition method is studied,the constellation design method is proposed which following the multiple intensity planes under the constraint of target color.Then,the optimization problem of the proposed scheme is designed,the joint coded-modulation scheme with high coding gain is proposed,which is based on set partitioning and finite-state machine.Finally,the minimum square Euclidean distance of the proposed scheme is calculated and analyzed.The simulation results confirm that the proposed joint coded-modulation scheme significantly improves the bit error rate of visible light communication system.Key words:visible light communication;color-shift keying;finite-state machine;Viterbi algorithm;bit error rate 随着无线通信技术的高速发展，无线数据量呈指数增长，传统的射频方案已无法满足通信需求。未来的 6G 通信将不再局限于传统射频通信的频谱资源，选用新的频谱资源来承载通信已成为业界共识1。可见光通信（visible light communication，VLC）作为未来高速无线通信的重要技术路线，具有频谱无需授权的独特优势，已被 IMT-2030（6G）推进组列为 6G 潜在的关键技术2-3。在 VLC 中，色移键控（color-shift keying，CSK）是一种通过改变红/绿/蓝（R/G/B）LED光强度来传输数据的调制方案。相比其他调制方式，CSK 可构建恒定光强度约束的调制方案，进而支持无闪烁高速数据传输。为实现 VLC 的高效、可靠传输，许多学者对 CSK 进行了广泛深入的研究。基于二维（2D）光强度三角形平面，文献4和5分别提出最 李宗艳，等：基于色移键控的联合编码调制实验设计 91 大化最小欧氏距离（minimum Euclidean distance，MED）的 CSK 星座优化方案，并分别使用台球算法和内点法来求解星座点。文献6提出一种基于内点法的 CSK 星座优化设计方案。文献7和8分别提出了QLED 下的 CSK 星座优化设计方案，相比三色 CSK方案，其通过显著提高 MED 来改善误码率性能。文献9研究了 VLC 系统中基于摄像机接收的圆形 CSK星座，并将其应用于车辆对车辆及车辆对基础设施的通信中，以提高车辆在高交通密度下的安全性。文献10和11对 3-CSK 进行了优化设计，与 4-CSK 和OOK 相比，3-CSK 具有更优的误码性能和更低的功耗，同时保持了较高的数据速率。文献12研究了旋转 CSK 方案，以对受信号相关噪声影响的星座畸变进行补偿。文献13研究了 CSK 中有限符号的联合星座优化问题，定义并提出最大化互信息作为联合星座优化的目标函数。文献14在 CSK 调制 VLC 系统中引入了概率成形技术，提高了接收信号的信噪比增益。为了充分利用三维（3D）光强度空间的自由度，文献15提出了球形结构约束下最大化 MED 的 CSK扩展方案。文献16和17研究了基于 CSK 的星座设计和编码方案，数据结果显示，相比未编码 CSK 方案，具有明显的误码率性能优势。文献18提出一种基于中线划分（median partition，MP）CSK 星座的联合编码调制方案。为了提高可见光信号的传输质量，基于非二次幂CSK 星座结构，本文提出了基于色移键控星座的联合编码调制（joint coded-modulation，JCM）实验设计。首先，基于恒定强度的三角形平面，设计三角形划分（triangle partition，TP）的 CSK 星座结构；再设计符号集的集合划分方法，对 CSK 符号集进行子集划分，并将不同符号子集映射到 3D 强度空间的多个三角形平面中；最后，以最大化欧式距离为目标函数，构建联合编码调制的有限状态机。1 系统模型 基于联合编码调制的可见光通信系统模型如图 1所示。设定一个M进制 CSK 星座符号集12=,Sss M,s，第i个调制符号T,ir ig ib isss=s是一个 3D向量，其中T 表示转置运算；2logmM=|表示每个调制符号对应的信息数据数目。在发送端，先使用MATLAB 产生随机二进制输入数据，并在进行基于CSK 的 JCM（CSK-JCM）处理后输出；再将编码调制信号传送至任意波形发生器（AWG）以产生模拟信号；模拟信号经直流偏置器（Bias-T）驱动 R/G/B LEDs，并由 LEDs 发送承载数据信息的光信号至 VLC信道。三色混合光信号is经 VLC 信道传输后，接收端使用 R/G/B 光学滤波器和光电检测器 PDs 对混合光信号进行接收，接收信号ir可表示为：=ii+rHsn（1）式中，H是信道增益矩阵，n是均值为 0、方差为2的高斯白噪声。随后，ir传输至实时示波器（RTO）；RTO 进行模数转换后输出至联合解码模块，最终输出数据信息。图 1 可见光通信系统模型 2 三角形划分的 CSK 星座设计 设定 CSK 星座中各符号坐标的均值为三角形平面质心，Tave=1/3,1/3,1/3T，以满足白光平衡约束。本文提出的星座设计方案，主要包含以下三个步骤。1）步骤 1：2D 强度平面中三角形划分星座。对 2D 强度平面使用 TP 方法对星座进行分割，得到与强度平面相似的多个三角形，使其角度与 2D 强度平面角度一致，如图 2 所示。设定 CSK 符号在每个三角形的顶点和质心处，得到 M-TPCSK（M 分别为10 和 19）星座分别如图 2(a)和 2(b)所示。图 2 三角形划分的 CSK 星座 92 实 验 技 术 与 管 理 2）步骤 2：对步骤 1 的星座符号进行集合划分，得到满足aveT约束的符号子集。为使集合划分后的符号子集满足aveT约束，以强度平面三角形质心为中心，任选一符号作等边三角形；选取同一个三角形的顶点和边线上的符号组成一个符号子集()S，1,2,，进而得到：ave(),()E=STS（2）最后，基于 10-TPCSK 和 19-TPCSK 星座进行集合划分所得到的符号子集如表 1 所示。3）步骤 3：映射不同()S至不同光强度平面，得到 3D MIP-CSK 星座。为了构建 3D 光强度空间的 MIP-CSK 星座，通过将不同()S分别映射至不同强度三角形平面进行星座设计。假定第个光强度平面的取值为L，则不同 强度平面的符号子集()S为：()(),0=SL SL（3）式中，映射准则依据()S中符号数K的大小进行设计，K取值大的子集映射至高强度平面，K取值小的子集映射至低强度平面，其中|()|K=S。由表 2可以得到12KK，因而得到12LL。为了优化各强度平面的星座结构，对每一符号子集()S采用三角形划分 2D 强度平面方法重新设置符号坐标。符号坐标设置准则为，先选取三角形顶点，再选取三角形质心。当0L时，设置12:-=LLL 1:2:3；0=L时，设 置123:-=LLL 1:2:3；由此得到 M-MIP-CSK 星座分别如图 3(a)和 3(b)所示。表 1 M-TPCSK 星座的符号子集 M(=1)S(=2)S(=3)S(=4)S 10 123456,s ss ss s 789,ss s 10s 19 123456789,s ss ss s s s s 101112131415,ssssss 161718,sss 19s 图 3 MIP-CSK 星座示意图 3 基于 MIP-CSK 星座的联合编码调制方案设计 本小节基于 MIP-CSK 星座提出一种 JCM 设计方案（MIP-CSK-JCM），