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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），其对应的m位数据随机输入后生成一个 M-MIP-CSK 符号输出。3.1 问题建模 本文提出的 MIP-CSK-JCM 方案的主要设计思路是：在白光平衡约束下，通过增大发送符号序列之间的最小平方欧式距离（minimum squared Euclidean distances，MSED）获得高编码增益，以提高可见光信号传输质量。MIP-CSK-JCM 码的最小平方欧式距离可定义为12：222c,minparpat=min,ddd（4）式中，2pard是并行发送符号路径之间的 MSED，2patd是转移路径长度大于 1 的发送符号路径之间的 MSED。因此，可通过设计有限状态机优化2c,mind。基于aveT约束，VLC 中 MIP-CSK-JCM 码的设计问题可以建模为：2c,minmax d（5a）22patmin.2stdd（5b）22parmin2dd（5c）avg1(),Miiiip=s ssTS（5d）式中，2mind为 2D 强度平面中 TP 星座的 MSED，为正实数；设定12=(),(),()MMpppPsss，()ip s为发送符号is的先验概率。|李宗艳，等：基于色移键控的联合编码调制实验设计 93 3.2 联合编码调制方案设计 MIP-CSK-JCM 方案的设计过程主要包含以下两个步骤（见图 4）。1）步骤 1：MIP-CSK 星座的集合划分。通过设计划分级数=2的集合划分方法计算参数2pard和2patd。在=1阶段，为满足m位数据信息映射需求，得到的符号子集1()S为：11(),()=,|2iim=SssSS（6）式中，1=1,2N,；通过删除最大强度平面中2mM-个符号得到1()S，使得N个符号子集1()S满足式（5d）约束。在=2阶段，基于每一个符号子集1()S，继续进行集合划分，得到符号子集12(),S，2=1,2N,。设计集合划分准则为：对于1()S，其对应所有符号子集12(),S的 MSED 2pard，满足式（5b）约束；所 有符号子集12(),S之间的 MSED 2patd满足式（5c）约束。此外，使得所有符号子集12(),S的均值满足式（5d）约束，即：12ave1211,(),NNii=ssST（7）为简单起见，构建状态数为=3N的编码转移结构。为满足目标色与=3N的约束，需要对 19-MIP-CSK 星座删除质心符号，得到更新的 18-MIP-CSK 星座。依据=1阶段的设计方法，分别对 10-MIP-CSK与 18-MIP-CSK 星座进行集合划分，得到的符号子集1()S如表 2 所示。依据=2阶段的设计方法，得到的符号子集12(),S也如表 2 所示。图 4 描述了10-MIP-CSK 符号集合划分过程。同理，依据表 2中的符号子集，很容易得到 19-MIP-CSK 符号集合划分过程。图 4 10-MIP-CSK 符号集的集合划分过程 表 2 M-MIP-CSK 星座的符号子集 M 10 18 1()S 1-357-910,ss ss 13-57-910,s sss 135-910,s s ss 1-57-810-1516-18,ssss1-25-810-1516-18,ssss 1-24-57-1516-18,ssss7 9-s 7 9-s 7 9-s 136 18,-s s 166 18,-s s 196 18,-s s 135,s s s 135,s s s 135,s s s 10-15s 10-15s 10-15s 12(),S 120,ss 140,ss 160,s s 1-24-7-85,sss 1-24-7-85,sss 1-24-7-85,sss 2）步骤 2：基于步骤 1 的符号子集12(),S，设计状态数=3N的有限状态机。以 10-MIP-CSK-JCM 码为例，基于 10-MIP-CSK星座，设定在=3N情况下对应 FSM 的三个状态分别设为1ST、2ST和3ST。先以1ST的 FSM 转移结构为例进行分析，引入12=1,=)1(S，12=1,=)2(S和12=1,=)3(S分别表示从当前状态1ST转移至下一个状态1ST、2ST和3ST的输出符号子集；依此类推，可得到2ST和3ST的转移结构，进而得到 10-MIP-CSK-JCM 码的 FSM 如图 5(a)所示，同时得到 10-MIP-CSK 星座符号的转移概率101/8,1/24,1/8,1/24,1/8,1/24,1/8,1/8,1/8,1/8=P。依据表 2 给出的符号子集，进一步分析可知，对于 10-MIP-CSK-JCM 码存在多种可能的 FSM，但 10-MIP-CSK-JCM 码的2c,mind取值保持不变。本文只考虑一种可能的 FSM。同理，类似于 10-MIP-CSK-JCM 码 FSM 的设计过程，采用同样方法得到18-MIP-CSK-JCM码的FSM，如图 5(b)所示。对于这两种编码方案，本文设定数据信息与符号之间的映射关系分别如表 3 和表 4 所示。94 实 验 技 术 与 管 理 图 5 M-MIP-CSK-JCM 码的 FSM 表 3 10-MIP-CSK-JCM 码数据信息与 符号子集之间映射关系 符号子集 数据信息 ST1 ST2 ST3 000,001 102,ss 104,ss 106,s s 010,011,100 135,s s s 135,s s s 135,s s s 101,110,111 7 9-s 7 9-s 7 9-s 表 4 18-MIP-CSK-JCM 码数据信息与 符号子集之间映射关系 符号子集 数据信息 ST1 ST2 ST3 0000,0001,0010,0011 16831,-s s 16861,-s s 196 18,-s s 0100,0101,0110,0111,1000,1001,10-15s 10-15s 10-15s 1010,1011,1100,1101,1110,1111 1-24-57-8,sss1-24-57-8,sss 1-24-57-8,sss 4 仿真验证 为评估所提出的 JCM 实验的设计性能，本文基于图 1 所示的系统模型利用 MATLAB 软件，对所提方 案及其他方案的误码率进行了仿真验证与对比。在仿真中，本文使用软 Viterbi 译码算法对 MIP-CSK-JCM码进行解码，与之对比的多种 CSK 调制方案使用最大似然准则进行解调。经分析，可以进一步得到各种方案的实现复杂度，其复杂度都随数据速率R呈指数增加，且随状态数呈线性增加。通过对各种方案实现的复杂度进行分析得出，本文所提方案的复杂度是作为对比的未编码 CSK 方案的N倍。由文献15可知，很容易计算各种方案的光强度功率归一化的 MSED 2mind。基于数据速率R，本文所提出 MIP-CSK-JCM 码与对比方案的2mind如表 5 所示。此外，为评价 MIP-CSK-JCM 码的性能，对MIP-CSK 星座符号的坐标进行功率归一化处理，得到的符号坐标如表6所示。进一步，图6对比了MIP-CSK-JCM 码与 CSK 星座、CISK 星座、SCSK 星座、CSK-TCM 和 MPCSK-JCM 编码方案的2mind。由表 5 和图 6很容易看出，在不同数据速率下本文所提的MIP-CSK-JCM 实验方案都具有最大的 MSED。表 5 各种 CSK 方案的 MSED 2mind R MIP-CSK-JCM MPCSK-JCM CSK-TCM CISK SCSK CSK 3 比特/符号 0.53 0.39 0.22 0.23 0.27 0.22 4 比特/符号 0.15 0.11 0.11 0.07 表 6 M-MIP-CSK 星座的符号坐标 M 符号坐标 T10,0,1.45=45sT20.7273,0,0.7=273sT31.4545,0=,0sT40.7273,0.727=3,0sT50,1.4545=,0s 10 T60,0.7273,0.7=273sT70,0,0.72=73sT80.7273,0=,0sT90,0.7273=,0sT100,=0,0s T10,0,1.33=33sT20.6667,0,0.6=667sT30.2963,0.2963,0.=7407sT41.3333,0=,0sT50.6667,0.666=7,0s T60.2963,0.7407,0.=2963sT70,1.3333=,0sT80,0.6667,0.6=667sT90.7407,0.2963,0.29=63s T100,0,0.88=89sT110.4444,0,0.4=444sT120.8889,0=,0sT130.4444,0.444=4,0sT140,0.8889=,0s 18 T150,0.4444,0.4=444sT160,0,0.44=44sT170.4444,0=,0sT180,0.4444=,0s 李宗艳，等：基于色移键控的联合编码调制实验设计 95 图 6 各种 CSK 方案的 MSED 与数据速率示意图 在数据率3R=比特/符号情况下，10-MIP-CSK-JCM 方案与 8-CSK、(4,2)-CISK、8-SCSK、10-CSK-TCM 和 10-MPCSK-JCM 方案的误码率曲线对比如图 7所示。在数据率4R=比特/符号情况下，18-MIP-CSK-JCM 方案与 16-CSK、(8,2)-CISK 和 16-SCSK 方案的误码率曲线对比如图 8 所示。从图 7 和图 8 可以看出，在高信噪比条件下，本文所提的 MIP-CSK-JCM 方案都具有最优的误码率性能；在误码率为 105时，相比8-CSK、(4,2)-CISK、8-SCSK、10-CSK-TCM 和 10-MPCSK-JCM，10-MIP-CSK-JCM 的性能分别提高了约5.5 dB、4.7 dB、4.7 dB、4.3 dB 和 2.5dB；相比于16-CSK、(8,2)-CISK 和 16-SCSK，18-MIP-CSK-JCM 图 7 R=3 比特/符号，10-MIP-CSK-JCM 码与 其他方案的误码率对比 图 8 R=4 比特/符号，18-MIP-CSK-JCM 码与 其他方案的误码率对比 的性能分别提高了约 4.0 dB、1.6 dB 和 1.6 dB。由此可以得出，本文所提出的联合编码设计方案传输可靠性明显提高。5 结语 为提高 CSK 调制 VLC 系统的可靠性，提出了MIP-CSK-JCM 实验设计方案。本文主要通过增大MSED 来设计 MIP-CSK-JCM 编码方案，通过设计集合划分准则来构建 MIP-CSK 星座及所提方案的 FSM。同时，本文计算了各种方案的 MSED。通过参数对比和仿真验证，与其他方案相比，本文所提的 MIP-CSK-JCM 编码方案的误码率显著降低。参考文献(References)1 施剑阳，牛文清，徐增熠，等.面向6G的可见光通信关键技术J.无线电通信技术，2021,47(6):692697.2 ANON.IEEE standard for local and metropolitan area networks-part 15.7:Short-range wireless optical communication using visible lightS.IEEE Standard 802.15.7-2011,2011:248271.3 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