本發(fā)明涉及一種自適應比特映射方法，尤其涉及光空間調制通信系統(tǒng)中當發(fā)射機個數(shù)不是2的冪次方時的空間星座和信號星座的映射方法，屬于基于空間調制技術的可見光通信領域。

背景技術：

可見光通信(visiblelightcommunications,vlc)是在發(fā)光二極管(lightemittingdiode，led)等技術上發(fā)展起來的一種新型、短距離、高速的無線通信技術。它以led作為光源，通過發(fā)出肉眼察覺不到的、高速明暗閃爍的可見光信號來傳輸信息，在接收端利用光電二極管(photodiode,pd)完成光電轉換，然后進行電信號的接收、再生、解調實現(xiàn)信息的傳遞。

空間調制將多輸入多輸出技術(multipleinputmultipleoutput,mimo)和數(shù)字調制技術結合在一起，并且在任何時刻只有一個發(fā)射機被激活用來發(fā)送信息，其他發(fā)射機均處于關閉狀態(tài)。由于被激活發(fā)射機的索引可以攜帶額外的比特信息，所以空間調制能夠提高系統(tǒng)的頻譜效率，此外還可以避免mimo中存在的信道干擾和同步問題。

近年來，將空間調制和可見光通信相結合，構建出的光空間調制通信系統(tǒng)引起了學術界和產業(yè)界的廣泛關注。在光空間調制通信系統(tǒng)中，發(fā)射機為led，每個時刻只有一個led處于激活狀態(tài)并用來發(fā)送信息，其他led處于熄滅狀態(tài)。從目前國內外研究的現(xiàn)狀來看，國內外專家和學者對光空間調制通信系統(tǒng)的性能分析等方面進行了一些研究，但是基本上都限制發(fā)送端led的個數(shù)為2的冪次方，這樣被激活led的索引就可以用整數(shù)個比特進行映射。例如，當led個數(shù)為2時，被激活的led索引可以用1個比特進行映射；當led個數(shù)為4時，被激活的led索引可以用2個比特進行映射，以此類推。然而，在室內部署led時，led的個數(shù)不一定正好是2的冪次方。當led的個數(shù)不是2的冪次方時，以前的比特映射方法就不再適用。目前，當led的個數(shù)為任意時，光空間調制通信系統(tǒng)的比特映射問題還沒有被充分研究。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：針對光空間調制通信系統(tǒng)，本發(fā)明提供了一種led個數(shù)任意時的比特映射方法，打破了以前研究中空間調制發(fā)射機個數(shù)必須是2的冪次方的限制，擴展了光空間調制通信系統(tǒng)的適用范圍。

技術方案:

圖1給出了光空間調制通信系統(tǒng)中l(wèi)ed個數(shù)任意時的比特映射方法。在圖1中，原始比特信息經過串并轉換后進行光空間調制。光空間調制分成兩部分，一部分用于空間星座映射，一部分用于信號星座映射。根據(jù)具體的信道增益通過星座優(yōu)化的方式進行合適的比特映射，從而得到適合系統(tǒng)的比特映射方式，并獲得較佳的系統(tǒng)性能。在光空間調制通信系統(tǒng)中，信號星座映射通常采用調制階數(shù)為2的冪次方的強度調制，因此本系統(tǒng)中信號星座映射可以采用傳統(tǒng)的星座映射方法。然而，當發(fā)送端led個數(shù)為非2的冪次方時，傳統(tǒng)的空間星座映射方法就可能不再適用。

當發(fā)送端led個數(shù)nt≠2^p,時，假設發(fā)送端具有完美的信道狀態(tài)信息，本發(fā)明提出了如下比特映射方法：

(一)、空間星座映射

(1)選擇正整數(shù)k，使得2^k<nt<2^k+1；

(2)定義集合g＝{1,2,...,nt}，其中nt是led燈的個數(shù)。在集合g中依次取出前2^k個元素放入集合w中；將集合ω再分為兩個集合y和x，即w＝y(tǒng)萖，其中集合ξ包含前2^k+1-nt個元素，即ξ＝{1,2,…,2^k+1-nt}，y包括集合ω剩下的2^k-(2^k+1-nt)＝nt-2^k個led索引，即y＝{2^k+1-nt+1,…,2^k}。對集合x和y中的元素用k個比特按順序進行映射。

(3)將集合g中剩下的元素定義為集合f＝{2^k+1,2^k+2,...,nt}。

(4)令集合f與集合y對應的比特映射完全相同。

(5)在集合y對應比特映射信息后補充一個0，在集合f對應比特映射信息補充一個1；這樣，集合y和f均對應k+1個比特信息；集合x對應k個比特信息。

(6)集合x對應比特映射信息添加一個比特數(shù)據(jù)位，該位數(shù)據(jù)由信號星座映射決定。

需要指出的是，在步驟(5)中，集合y、f與集合x對應的比特信息長度不一樣，在接收判決時容易造成錯誤傳播。為了使所有l(wèi)ed索引對應相同長度的比特信息和防止錯誤傳播，在步驟(6)中添加了一個比特數(shù)據(jù)位，該比特位并不用來傳輸空間星座信息，而是用來傳輸信號星座信息，詳見下面的信號星座映射部分。因此，空間星座映射被分成了兩部分，有|y|+|f|＝2(nt-2^k)個led攜帶k+1個比特信息，剩下|x|＝2^k+1-nt個led攜帶k個比特信息。

(二)、信號星座映射

信號星座的具體映射過程為

(1)選取正整數(shù)q；

(2)當屬于集合y和f中索引所對應的led被激活時，采用2^q階的強度調制；

(3)當屬于集合x索引所對應的led被激活時，為了利用空間星座中剩余的一位信息，采用2^q+1階的強度調制。

(三)、加入信道信息進行星座優(yōu)化

根據(jù)實際信道情況，將上面所映射好的比特對應到合適的led信道，使得系統(tǒng)的性能比較好。

給定信道矩陣η，系統(tǒng)的成對錯誤概率為

其中并且dmin(h)為最小歐幾里得距離，定義為

其中l(wèi)是所有發(fā)送光強信號的集合。從公式(1)可以看出系統(tǒng)的成對錯誤概率是關于最小歐幾里得距離的減函數(shù)，因此最小歐幾里得距離可以用來衡量系統(tǒng)的性能好壞。如果某種調制組合方式的最小歐幾里得距離最大，那么該模式的性能也是最好的。因此對于led個數(shù)非2的冪次方時，我們可以通過最大最小歐幾里得距離來找出最優(yōu)的調制組合方式，然后將(一)

(二)中空間域和信號域的比特映射對應到具體的信道增益，從而使得系統(tǒng)系能最佳。

算法：

(1)找出所有可能的調制組合方式記為d＝{d1,d2,...,dl}，其中l(wèi)表示所有組合方式的總個數(shù)，第i種組合方式每個led燈的調制階數(shù)，并且該組合方式中有²(nt-2^k)個2^q階調制，有2^k+1-nt個2^q+1階調制。

(2)從集合d中進行全搜索，選擇最小歐幾里得距離最大的一種調制組合方式，即為系統(tǒng)性能較好的調制組合方式doptimal。

(3)根據(jù)doptimal分別給出對應的led索引的比特映射。

有益效果

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：

1)所述比特映射方法適用于發(fā)送端led個數(shù)任意時的情況，不需要限制led的個數(shù)是2的冪次方，因而使得光空間調制通信系統(tǒng)具備了更廣泛的適用范圍。

2)所述比特映射方法充分利用了空間星座中多余的比特位，該比特位用于信號星座調制，提高了系統(tǒng)的平均傳輸速率。

3)所述比特映射方法利用了信道增益特性，通過最大最小歐幾里得距離可以動態(tài)自適應地調制比特映射方式，提高了系統(tǒng)的性能。

附圖說明

圖1光空間調制通信系統(tǒng)中l(wèi)ed個數(shù)任意時的比特映射方法；

圖2光空間調制通信系統(tǒng)原理圖；

圖3當nt＝5時的比特映射圖；

圖4當nt＝5時不同映射方法下的系統(tǒng)性能比較圖。

具體實施方式

下面結合實施例和說明書附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

具體實施例：

考慮如圖2所示的光空間調制通信系統(tǒng)，發(fā)射端led個數(shù)為nt＝5，坐標分別為(1.5，1.2，3)、(1.5，2，3)、(3.5，1.4，3)、(3.5，2.6，3)、(2.5，2，3)；接收端pd個數(shù)為1，坐標為(2.5，1.8，0.8)。信道增益為h＝[0.0660,0.0784,0.0734,0.0572,0.1433].

在所述方法中，空間星座映射過程為

(1)選擇正整數(shù)為k＝2；

(2)led索引的集合為g＝{1,2,...,5}，ω＝{1,2,3,4}，x＝{1,2,3}，y＝{4}。對集合x和y中的led索引用2個比特按順序進行映射，即00，01，10，11。

(3)f＝{5}。

(4)令集合f與集合y對應的比特映射完全相同，即11。

(5)在集合y對應比特映射信息后補充一個0，在集合f對應比特映射信息補充一個1；這樣，集合y和f均對應3個比特信息；集合x對應2個比特信息。

(6)集合x對應比特映射信息添加一個比特數(shù)據(jù)位，該位數(shù)據(jù)由信號星座映射決定。

接著，進行信號星座映射。在所述方法中，信號星座映射過程為

(1)令q＝1；

(2)當屬于集合y和f的led被激活時，采用2階強度調制；

(3)當屬于集合x的led被激活時，采用4階強度調制。

最后將比特映射對應到實際信道，使得系統(tǒng)性能最好。

(1)給出所有調制組合方式d＝{d1,d2,d3,…d10}，總共有10種調制組合方式。

(2)通過最大最小歐幾里得距離找出最優(yōu)的調制組合方式

doptimal＝[4,2,4,4,2]。

(3)給對應的led信道映射合適的比特信息。

根據(jù)上述比特映射過程，圖3給出了當nt＝5時的比特映射圖。從圖中可以看出，下標為1、2、3的led對應的信道增益分別為0.0660、0.0734、0.0572，且空間域攜帶2個比特信息，信號域采用4階強度調制；下標為4、5的led對應的信道增益為0.0784、0.1433，并且空間域攜帶3個比特信息，信號域采用2階強度調制。5個led在每個時隙都發(fā)送4個比特信息。

圖4給出了實施案例中其他9種不同的比特映射方式以及優(yōu)化得到的比特映射方式(信號域的調制階數(shù)組合為doptimal＝[4,2,4,4,2])的系統(tǒng)性能比較圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤符號率隨著信噪比的增加而減少。且m1＝4,m2＝2,m3＝4,m4＝4,m5＝2是圖中系統(tǒng)性能比較好的一種調制組合方式。

上述實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發(fā)明權利要求進行改進和等同替換后的技術方案，均落入本發(fā)明的保護范圍。