一種用于室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均衡方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于可見(jiàn)光無(wú)線通信領(lǐng)域，涉及一種用于室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 均衡方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于網(wǎng)絡(luò)頻段資源的枯竭，網(wǎng)絡(luò)干擾，以及網(wǎng)絡(luò)泄密等問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，我們需要 找到能夠克服上述問(wèn)題的新的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，而可見(jiàn)光通信技術(shù)是最有發(fā)展前景的技術(shù)之 〇
[0003] 可見(jiàn)光通信（VisibleLightCommunication，VLC)技術(shù)是一種使用可見(jiàn)光作為 信息載體的新型無(wú)線光通信方式，它主要利用半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LightEmittingDiode， LED)所具有的高速響應(yīng)特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和照明的雙重功能?？梢?jiàn)光通信發(fā)出的光是電 磁波譜中人眼所可以感知的那部分，波長(zhǎng)在380nm到780nm之間，對(duì)人眼安全?；贚ED的 可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)，無(wú)論是應(yīng)用于室內(nèi)還是室外，在其物理實(shí)現(xiàn)上均分為光信號(hào)發(fā)射和 光信號(hào)接收兩部分。光信號(hào)發(fā)射部分主要包括：將信號(hào)源信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于大氣信道傳輸?shù)?電信號(hào)的輸入和處理電路，以及將電信號(hào)轉(zhuǎn)化調(diào)制成光載波強(qiáng)度變化的LED可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)電 路?？梢?jiàn)光接收機(jī)部分主要包括：能對(duì)信號(hào)光源實(shí)現(xiàn)最佳接收的光學(xué)系統(tǒng)，將光信號(hào)還原成 電信號(hào)的光電探測(cè)器和前置放大電路，為了獲得最佳接收信噪比的濾波電路，以及將電信 號(hào)轉(zhuǎn)換成可被終端識(shí)別的信號(hào)處理和輸出電路等。
[0004] 目前，可見(jiàn)光通信的研究熱點(diǎn)之一是如何提高通信速率，減小碼間干擾。對(duì)可見(jiàn)光 無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，LED光源為散射光，無(wú)方向性，因此可見(jiàn)光信號(hào)從LED發(fā)出后，有的經(jīng)過(guò) L0S鏈路直接到達(dá)接收端，有的將會(huì)經(jīng)過(guò)天花板、墻壁、障礙物等的反射和折射才能到達(dá)接 收端。可見(jiàn)光信號(hào)在經(jīng)過(guò)不同的傳輸路徑之后將會(huì)產(chǎn)生傳輸時(shí)延，從而形成多徑效應(yīng)，并最 終產(chǎn)生碼間干擾和延遲失真，影響接收端對(duì)可見(jiàn)光信號(hào)接收的質(zhì)量。且VLC系統(tǒng)提供調(diào)光 功能，在發(fā)送端使用脈沖調(diào)制，在經(jīng)由不同傳輸路徑之后會(huì)產(chǎn)生碼間干擾。如何抑制碼間干 擾成為研究者的一大難題。信道均衡技術(shù)可用于對(duì)抗碼間干擾。在無(wú)線電通信系統(tǒng)中，信 道均衡技術(shù)已經(jīng)十分成熟，然而對(duì)于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，信道均衡技術(shù)尚處于研究階段。 綜上所述，可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中的均衡技術(shù)需要做進(jìn)一步的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種明顯減小碼間干擾，降低誤碼率，提高系統(tǒng)可以 達(dá)到的傳輸速率，并且縮短訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)，降低系統(tǒng)復(fù)雜度的用于室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)均衡方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種用于室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均衡方 法，所述可見(jiàn)光通信系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)送端A、光無(wú)線通信信道B和信號(hào)接收端C，信號(hào)發(fā)送端 A包括編碼模塊、調(diào)制模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊、Bias-Tee信號(hào)耦合模塊和LED光源模塊，信號(hào)接 收端C包括光電檢測(cè)模塊、信號(hào)放大濾波模塊、GA-ANN均衡模塊、判決模塊和信號(hào)解調(diào)解碼 模塊，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均衡方法包括以下步驟：
[0006] 在信號(hào)發(fā)送端A，首先，數(shù)據(jù)源的待發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送給編碼模塊進(jìn)行編碼；然后編碼 模塊的輸出信號(hào)發(fā)送給調(diào)制模塊進(jìn)行調(diào)光，調(diào)制模塊完成對(duì)信號(hào)調(diào)光后，發(fā)送給Bias-Tee 信號(hào)耦合模塊，Bias-Tee信號(hào)耦合模塊從LED光源模塊輸出，即發(fā)射可見(jiàn)光信號(hào)；所述可見(jiàn) 光信號(hào)經(jīng)過(guò)可見(jiàn)光無(wú)線信道B被接收端的光電探測(cè)器接收；
[0007] 在信號(hào)接收端C，光電探測(cè)器接收可見(jiàn)光信號(hào)后將微小的幅度變化量轉(zhuǎn)換為電信 號(hào)，然后將該放大濾波后的電信號(hào)輸入一個(gè)基于遺傳算法改進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道均衡器 GA-ANN進(jìn)行光信號(hào)的序列恢復(fù)訓(xùn)練，并經(jīng)過(guò)信號(hào)判決模塊的判決、解調(diào)解碼模塊的解碼之 后輸出數(shù)據(jù)。
[0008] 進(jìn)一步的，所述基于遺傳算法改進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道均衡器GA-ANN的輸入層 采用系列的延遲線抽頭，信息處理發(fā)生在隱層，隱層由多個(gè)神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元并行， 且每個(gè)神經(jīng)元都與輸入層的所有抽頭相連接，具體為：
[0009]A1、離散的接收信號(hào)表示為：
其中，匕為無(wú)噪聲的信道 輸出，叫是加性高斯白噪聲，hn是由天花板彈跳模型給出的信道抽頭；L階的均衡器有L個(gè) 等距延遲為t的抽頭；
[0010] A2、把信道輸出寫(xiě)成向量模式：Y1= [yiyi . .yiU1]T根據(jù)輸出向量Yi，均衡器把接 收向量分類成這兩類中的其中之一：二進(jìn)制"〇"和二進(jìn)制" 1"，對(duì)接收符號(hào)劃判決邊界。
[0011] 進(jìn)一步的，所述基于遺傳算法改進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道均衡器GA-ANN進(jìn)行光信 號(hào)的序列恢復(fù)訓(xùn)練采用多層感知機(jī)，并且使用反向傳播BP算法進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，具體包括：
[0012] B1、初始化權(quán)重為小于設(shè)定值M(例如M= 1)和閥值小于N(例如N= 1)的隨機(jī) 數(shù)；
[0013] B2、指定輸入向量x(n)和期望得到的輸出向量d(n);
[0014] B3、根據(jù)輸入向量集算出實(shí)際的輸出向量y(n)，然后計(jì)算出成本函E(n);
[0015]B4、采用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)元之間的權(quán)值和閾值，返回步驟B2。
[0016] 進(jìn)一步的，步驟B4采用遺傳算法優(yōu)化初始神經(jīng)元之間的權(quán)值和閾值，具體包括：
[0017]C1、建立初始化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置參數(shù)，包括隱含層和輸出層的神經(jīng)元數(shù)目 (例如，隱層使用6個(gè)神經(jīng)元，輸出層1個(gè)神經(jīng)元），隱含層傳遞函數(shù)為tansig，輸出層激活 函數(shù)為logsig，訓(xùn)練函數(shù)為trainscg，并對(duì)神經(jīng)元的初始化權(quán)值和閾值進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼，作 為GA的染色體；
[0018]C2、將預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與期望數(shù)據(jù)之間的誤差作為適應(yīng)度函數(shù)，計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度 函數(shù)值，其中適應(yīng)度函數(shù)
0P1S輸入第P個(gè)訓(xùn)練樣本時(shí)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的 輸出值，dpi為期望的輸出值，n為輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，k為訓(xùn)練集合的大小；
[0019] C3、進(jìn)行遺傳操作，即選擇、交叉、變異，產(chǎn)生新的種群，其中選擇概率？3= 0.9,交 叉概率匕=0. 2,變異概率P"= 0. 6 ;
[0020] C4、遺傳算法結(jié)束之后，解碼得到最佳神經(jīng)元初始化權(quán)值和閾值，建立最佳BP神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于訓(xùn)練，并最終判決輸出。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0022] 本方法在可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)的接收端使用基于遺傳算法改進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 信道均衡技術(shù)。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)線性均衡器或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判決反饋均衡器從接 收到的光功率信號(hào)中恢復(fù)發(fā)送序列，減小碼間干擾，改善誤碼率；并利用遺傳算法（GA)對(duì) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元之間的初始化權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化，加快收斂速度，減小穩(wěn)態(tài)剩余 誤差以及誤差函數(shù)陷入局部極小值的可能性；
[0023] 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道均衡是一種自適應(yīng)的盲均衡方法，用于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，它 通過(guò)對(duì)直接檢測(cè)的接收光功率信號(hào)光電轉(zhuǎn)換之后的采樣序列進(jìn)行訓(xùn)練，并最終判決輸出， 具體包括：
[0024] 基于多層前饋ANN網(wǎng)絡(luò)的線性信道均衡器：信號(hào)在經(jīng)過(guò)放大采樣之后，再被送入 基于遺傳算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)線性均衡器，最后經(jīng)過(guò)判決輸出最終的信號(hào)；
[0025] 能夠有效地減小可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中由于多徑效應(yīng)所引發(fā)的碼間干擾，降低誤碼 率，提高系統(tǒng)可以達(dá)到的傳輸速率，并且縮短訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)，在保證通信質(zhì)量的同時(shí)有能夠降低 系統(tǒng)復(fù)雜度。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1是本方法的系統(tǒng)框圖；
[0027] 圖2為VLC等效系統(tǒng)框圖；
[0028] 圖3為室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)模型圖；
[0029] 圖4為單個(gè)LED燈的系統(tǒng)模型圖；
[0030] 圖5為神經(jīng)元示意圖；
[0031] 圖6為前饋多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接圖；
[0032] 圖7為基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線性均衡器的結(jié)構(gòu)圖；
[0033] 圖8為基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的判決反饋均衡器的結(jié)構(gòu)圖；
[0034] 圖9為遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值流程圖；
【具體實(shí)施方式】
[0035] 以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：
[0036]圖1為本發(fā)明所述方法的系統(tǒng)框圖，如圖所示，可見(jiàn)光通信系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)送端 A、光無(wú)線通信信道B和信號(hào)接收端C。
[0037] 信號(hào)發(fā)送端A由編碼模塊、調(diào)制模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊、Bias-Tee信號(hào)耦合模塊和LED 光源模塊組成。在信號(hào)發(fā)送端，白光LED驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端與Bias-Tee信號(hào)耦合模塊的直 流輸入端相連，信號(hào)調(diào)制模塊A2的輸出端與Bias-Tee信號(hào)耦合模塊的交流輸入端相連。首 先，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼模塊，然后輸出。編碼模塊可能包含信源編碼和信道編碼，也可能只 包含信道編碼，看具體的需求而定，而信道編碼的方式可以是卷積編碼、Turbo編碼，也可以 是LDPC編碼；其次，編碼模塊的輸出信號(hào)輸入調(diào)制模塊，因?yàn)榭梢?jiàn)光通信系統(tǒng)需要同時(shí)提 供照明和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，所以調(diào)光功能對(duì)于VLC來(lái)說(shuō)是不可或缺的基本功能，考慮到VLC 系統(tǒng)使用的是LED光源，所以調(diào)光功能可以在調(diào)制模塊A1中實(shí)現(xiàn)，具體參見(jiàn)圖2;然后，輸 出信號(hào)經(jīng)過(guò)Bias-Tee信號(hào)耦合模塊之后，從LED輸出，即發(fā)射可見(jiàn)光信號(hào)；
[0038] 在經(jīng)過(guò)了可見(jiàn)光無(wú)線信道B之后被光電探測(cè)器接收，可見(jiàn)光無(wú)線通信信道為多徑 信道，信號(hào)將會(huì)被反射，會(huì)產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)展。
[0039] 信號(hào)接收端C由光電檢測(cè)模塊、信號(hào)放大濾波模塊、GA-ANN均衡模塊、判決模塊、 信號(hào)解調(diào)解碼模塊組成。在信號(hào)接收端，在光電探測(cè)器（photo-detector)接收光信號(hào)之前 會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)光濾波器和光聚能器，然后信號(hào)被ro接收，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；在經(jīng)過(guò)放大、濾波采 樣之后，被輸入一個(gè)基于遺傳算法改進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信道均衡器，在判決、解調(diào)解碼之后 輸出數(shù)據(jù)。在這里使用信道均衡器是為了改善系統(tǒng)的誤碼率性能，并且同時(shí)也能夠降低系 統(tǒng)的功率需求，這對(duì)于小功率的終端應(yīng)用來(lái)說(shuō)也是非常重要的。
[0040] 圖2,圖2為可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的等效系統(tǒng)框圖，如圖所示，信號(hào)在經(jīng)過(guò)編碼之后要 經(jīng)過(guò)調(diào)制器A1。首先，信號(hào)經(jīng)過(guò)M-2-PAPM調(diào)制器al之后生成隨幅度和位置變化的周期脈 沖波形；然后輸入脈沖寬度調(diào)制器a3,這里假設(shè)調(diào)光目標(biāo)a2已知，如果調(diào)光速率為0. 5,則 脈沖寬度為符號(hào)周期的一半。設(shè)x(t)和y(t)分別表示發(fā)送光信號(hào)cl和接收光信號(hào)c4， ro產(chǎn)生與接收到的瞬時(shí)功率成正比的光電流。經(jīng)過(guò)放大、濾波、采樣之后的接收光信號(hào)c4 被送入均衡模塊，首先經(jīng)過(guò)GA-ANN線性均衡器c5,然后輸入判決模塊c6,如果信道失真嚴(yán) 重，c5的信息需要反饋給c6,即使用GA-ANN判決反饋均衡器。
[0041 ] 接收到的平均光功率可以表示為：
[0042]
[0043] 在這個(gè)系統(tǒng)模型中仍然采用朗伯特輻射格局，LED和之間的直射視距光信道直 流增益H(0)可以表示為：
[0044]
[0045] 其中m為光源的朗伯特輻射模式；A為光電探測(cè)器的接收面積；d是發(fā)射