一種用于室內可見光通信系統的神經網絡均衡方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于可見光無線通信領域，涉及一種用于室內可見光通信系統的神經網絡 均衡方法。
【背景技術】
[0002] 由于網絡頻段資源的枯竭，網絡干擾，以及網絡泄密等問題的日益嚴峻，我們需要 找到能夠克服上述問題的新的網絡通信技術，而可見光通信技術是最有發展前景的技術之 〇
[0003] 可見光通信（VisibleLightCommunication，VLC)技術是一種使用可見光作為 信息載體的新型無線光通信方式，它主要利用半導體發光二極管（LightEmittingDiode， LED)所具有的高速響應特性，同時實現通信和照明的雙重功能。可見光通信發出的光是電 磁波譜中人眼所可以感知的那部分，波長在380nm到780nm之間，對人眼安全。基于LED的 可見光無線通信系統，無論是應用于室內還是室外，在其物理實現上均分為光信號發射和 光信號接收兩部分。光信號發射部分主要包括：將信號源信號轉換成便于大氣信道傳輸的 電信號的輸入和處理電路，以及將電信號轉化調制成光載波強度變化的LED可見光驅動電 路。可見光接收機部分主要包括：能對信號光源實現最佳接收的光學系統，將光信號還原成 電信號的光電探測器和前置放大電路，為了獲得最佳接收信噪比的濾波電路，以及將電信 號轉換成可被終端識別的信號處理和輸出電路等。
[0004] 目前，可見光通信的研究熱點之一是如何提高通信速率，減小碼間干擾。對可見光 無線通信系統來說，LED光源為散射光，無方向性，因此可見光信號從LED發出后，有的經過 L0S鏈路直接到達接收端，有的將會經過天花板、墻壁、障礙物等的反射和折射才能到達接 收端。可見光信號在經過不同的傳輸路徑之后將會產生傳輸時延，從而形成多徑效應，并最 終產生碼間干擾和延遲失真，影響接收端對可見光信號接收的質量。且VLC系統提供調光 功能，在發送端使用脈沖調制，在經由不同傳輸路徑之后會產生碼間干擾。如何抑制碼間干 擾成為研究者的一大難題。信道均衡技術可用于對抗碼間干擾。在無線電通信系統中，信 道均衡技術已經十分成熟，然而對于可見光通信系統來說，信道均衡技術尚處于研究階段。 綜上所述，可見光通信系統中的均衡技術需要做進一步的研究。

【發明內容】

[0005] 針對現有技術的不足，提出了一種明顯減小碼間干擾，降低誤碼率，提高系統可以 達到的傳輸速率，并且縮短訓練時長，降低系統復雜度的用于室內可見光通信系統的神經 網絡均衡方法。本發明的技術方案如下：一種用于室內可見光通信系統的神經網絡均衡方 法，所述可見光通信系統包括信號發送端A、光無線通信信道B和信號接收端C，信號發送端 A包括編碼模塊、調制模塊、LED驅動模塊、Bias-Tee信號耦合模塊和LED光源模塊，信號接 收端C包括光電檢測模塊、信號放大濾波模塊、GA-ANN均衡模塊、判決模塊和信號解調解碼 模塊，所述神經網絡均衡方法包括以下步驟：
[0006] 在信號發送端A，首先，數據源的待發送數據發送給編碼模塊進行編碼；然后編碼 模塊的輸出信號發送給調制模塊進行調光，調制模塊完成對信號調光后，發送給Bias-Tee 信號耦合模塊，Bias-Tee信號耦合模塊從LED光源模塊輸出，即發射可見光信號；所述可見 光信號經過可見光無線信道B被接收端的光電探測器接收；
[0007] 在信號接收端C，光電探測器接收可見光信號后將微小的幅度變化量轉換為電信 號，然后將該放大濾波后的電信號輸入一個基于遺傳算法改進的人工神經網絡信道均衡器 GA-ANN進行光信號的序列恢復訓練，并經過信號判決模塊的判決、解調解碼模塊的解碼之 后輸出數據。
[0008] 進一步的，所述基于遺傳算法改進的人工神經網絡信道均衡器GA-ANN的輸入層 采用系列的延遲線抽頭，信息處理發生在隱層，隱層由多個神經元組成，這些神經元并行， 且每個神經元都與輸入層的所有抽頭相連接，具體為：
[0009]A1、離散的接收信號表示為：
其中，匕為無噪聲的信道 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 等距延遲為t的抽頭；
[0010] A2、把信道輸出寫成向量模式：Y1= [yiyi . .yiU1]T根據輸出向量Yi，均衡器把接 收向量分類成這兩類中的其中之一：二進制"〇"和二進制" 1"，對接收符號劃判決邊界。
[0011] 進一步的，所述基于遺傳算法改進的人工神經網絡信道均衡器GA-ANN進行光信 號的序列恢復訓練采用多層感知機，并且使用反向傳播BP算法進行學習訓練，具體包括：
[0012] B1、初始化權重為小于設定值M(例如M= 1)和閥值小于N(例如N= 1)的隨機 數；
[0013] B2、指定輸入向量x(n)和期望得到的輸出向量d(n);
[0014] B3、根據輸入向量集算出實際的輸出向量y(n)，然后計算出成本函E(n);
[0015]B4、采用遺傳算法優化神經元之間的權值和閾值，返回步驟B2。
[0016] 進一步的，步驟B4采用遺傳算法優化初始神經元之間的權值和閾值，具體包括：
[0017]C1、建立初始化的BP神經網絡，并設置參數，包括隱含層和輸出層的神經元數目 (例如，隱層使用6個神經元，輸出層1個神經元），隱含層傳遞函數為tansig，輸出層激活 函數為logsig，訓練函數為trainscg，并對神經元的初始化權值和閾值進行實數編碼，作 為GA的染色體；
[0018]C2、將預測數據與期望數據之間的誤差作為適應度函數，計算每個個體的適應度 函數值，其中適應度函數
0P1S輸入第P個訓練樣本時第i個節點的 輸出值，dpi為期望的輸出值，n為輸出層神經元個數，k為訓練集合的大小；
[0019] C3、進行遺傳操作，即選擇、交叉、變異，產生新的種群，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、遺傳算法結束之后，解碼得到最佳神經元初始化權值和閾值，建立最佳BP神 經網絡用于訓練，并最終判決輸出。
[0021] 本發明的優點及有益效果如下：
[0022] 本方法在可見光無線通信系統的接收端使用基于遺傳算法改進的人工神經網絡 信道均衡技術。采用人工神經網絡（ANN)線性均衡器或人工神經網絡判決反饋均衡器從接 收到的光功率信號中恢復發送序列，減小碼間干擾，改善誤碼率；并利用遺傳算法（GA)對 人工神經網絡中神經元之間的初始化權值和閾值進行優化，加快收斂速度，減小穩態剩余 誤差以及誤差函數陷入局部極小值的可能性；
[0023] 人工神經網絡信道均衡是一種自適應的盲均衡方法，用于可見光通信系統中，它 通過對直接檢測的接收光功率信號光電轉換之后的采樣序列進行訓練，并最終判決輸出， 具體包括：
[0024] 基于多層前饋ANN網絡的線性信道均衡器：信號在經過放大采樣之后，再被送入 基于遺傳算法的人工神經網絡線性均衡器，最后經過判決輸出最終的信號；
[0025] 能夠有效地減小可見光通信系統中由于多徑效應所引發的碼間干擾，降低誤碼 率，提高系統可以達到的傳輸速率，并且縮短訓練時長，在保證通信質量的同時有能夠降低 系統復雜度。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本方法的系統框圖；
[0027] 圖2為VLC等效系統框圖；
[0028] 圖3為室內可見光通信系統模型圖；
[0029] 圖4為單個LED燈的系統模型圖；
[0030] 圖5為神經元示意圖；
[0031] 圖6為前饋多層神經網絡連接圖；
[0032] 圖7為基于人工神經網絡的線性均衡器的結構圖；
[0033] 圖8為基于人工神經網絡的判決反饋均衡器的結構圖；
[0034] 圖9為遺傳算法優化神經網絡權值流程圖；
【具體實施方式】
[0035] 以下結合附圖，對本發明作進一步說明：
[0036]圖1為本發明所述方法的系統框圖，如圖所示，可見光通信系統包括信號發送端 A、光無線通信信道B和信號接收端C。
[0037] 信號發送端A由編碼模塊、調制模塊、LED驅動模塊、Bias-Tee信號耦合模塊和LED 光源模塊組成。在信號發送端，白光LED驅動模塊的輸出端與Bias-Tee信號耦合模塊的直 流輸入端相連，信號調制模塊A2的輸出端與Bias-Tee信號耦合模塊的交流輸入端相連。首 先，輸入數據經過編碼模塊，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輸入調制模塊，因為可見光通信系統需要同時提 供照明和數據傳輸的功能，所以調光功能對于VLC來說是不可或缺的基本功能，考慮到VLC 系統使用的是LED光源，所以調光功能可以在調制模塊A1中實現，具體參見圖2;然后，輸 出信號經過Bias-Tee信號耦合模塊之后，從LED輸出，即發射可見光信號；
[0038] 在經過了可見光無線信道B之后被光電探測器接收，可見光無線通信信道為多徑 信道，信號將會被反射，會產生時延擴展。
[0039] 信號接收端C由光電檢測模塊、信號放大濾波模塊、GA-ANN均衡模塊、判決模塊、 信號解調解碼模塊組成。在信號接收端，在光電探測器（photo-detector)接收光信號之前 會經過一個光濾波器和光聚能器，然后信號被ro接收，轉化為電信號；在經過放大、濾波采 樣之后，被輸入一個基于遺傳算法改進的人工神經網絡信道均衡器，在判決、解調解碼之后 輸出數據。在這里使用信道均衡器是為了改善系統的誤碼率性能，并且同時也能夠降低系 統的功率需求，這對于小功率的終端應用來說也是非常重要的。
[0040] 圖2,圖2為可見光通信系統的等效系統框圖，如圖所示，信號在經過編碼之后要 經過調制器A1。首先，信號經過M-2-PAPM調制器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制器a3,這里假設調光目標a2已知，如果調光速率為0. 5,則 脈沖寬度為符號周期的一半。設x(t)和y(t)分別表示發送光信號cl和接收光信號c4， ro產生與接收到的瞬時功率成正比的光電流。經過放大、濾波、采樣之后的接收光信號c4 被送入均衡模塊，首先經過GA-ANN線性均衡器c5,然后輸入判決模塊c6,如果信道失真嚴 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] 在這個系統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為光電探測器的接收面積；d是發射