室內(nèi)可見光通信中高效傳輸理論與技術(shù)研究.pdf

1、可見光通信(Visible Light Communication，VLC)不占用射頻(Radio Frequency,RF)頻譜資源，無需頻譜許可證，且具有成本低、傳輸速率高、保密性好、無電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。隨著RF頻譜資源的日益匱乏和對(duì)高速傳輸速率的迫切需求，VLC可以為室內(nèi)無線通信網(wǎng)提供一種高速大容量的解決方案，被認(rèn)為是一種具有廣泛應(yīng)用前景的無線通信技術(shù)。高效傳輸是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，近來，一些高效傳輸技術(shù)在

2、無線通信中被深入地研究，包括多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)、正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)等技術(shù)。在VLC背景下，一個(gè)重要的問題是如何在考慮VLC特點(diǎn)的情況下優(yōu)化設(shè)計(jì)這些高效傳輸技術(shù)，挖掘它們?cè)赩LC中潛在的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。本文主要圍繞VLC中MIMO和OFDM技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)展開研究，具體而言，論文的主要研究

3、工作和貢獻(xiàn)如下:
　　首先，在VLC光功率約束下，研究了VLC中MIMO收發(fā)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在綜合考慮發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)非線性、室內(nèi)照明等VLC特點(diǎn)的情況下，通過推導(dǎo)建立了適用于VLC中一般調(diào)制方案的光功率約束模型，該光功率約束可以保證LED工作在線性區(qū)域內(nèi)，避免信號(hào)的非線性失真。在該光功率約束基礎(chǔ)上，依據(jù)最小均方誤差(Minimum Mean-Square Error,MMSE)準(zhǔn)則，建

4、立了VLC中MIMO收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)化問題，并借助梯度投影(Gradient Projection，GP)的方法，提出了一種VLC中MIMO收發(fā)機(jī)的優(yōu)化算法。該算法可以有效地提升MIMO系統(tǒng)的性能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)LED的調(diào)光控制，滿足用戶對(duì)室內(nèi)照明亮度的不同需求。仿真結(jié)果表明，提出的算法可以提供比傳統(tǒng)的基于奇異值分解(Singular Value Decomposition，SVD)方案更優(yōu)的性能。
　　然后，為了抑制多用戶干擾，提升

5、系統(tǒng)性能，本文探究了VLC中多用戶收發(fā)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)對(duì)MIMO收發(fā)機(jī)的光功率約束，推導(dǎo)了VLC中多用戶收發(fā)機(jī)滿足的光功率約束。在此光功率約束下，本論文研究了VLC中多用戶多輸入單輸出(Multiple-Input Single-Output，MISO)收發(fā)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體地，以最小化最大MSE為設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立了關(guān)于VLC多用戶MISO收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)化問題，并提出了一種多用戶MISO最優(yōu)收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)算法。該算法有效地抑制了多用戶干擾

6、，同時(shí)保證了用戶間通信的公平性。在此基礎(chǔ)上，又將迫零(Zero-forcing，ZF)準(zhǔn)則引入到設(shè)計(jì)中，給出了一種最優(yōu)的ZF收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)算法，該ZF算法是一種在通信性能和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度兩個(gè)方面折中的方案。進(jìn)一步地，本文又將研究對(duì)象擴(kuò)展到更一般的多用戶MIMO的場(chǎng)景，在光功率約束下建立了關(guān)于多用戶MIMO收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)化問題，并采用迭代優(yōu)化的方法，給出了一種局部最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。仿真結(jié)果驗(yàn)證了提出方案相比于傳統(tǒng)的ZF和塊對(duì)角化(Block Dia

7、gonalization，BD)方案在性能上的優(yōu)勢(shì)。
　　最后，本論文研究了VLC中光OFDM(Optical OFDM，OOFDM)的峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)降低算法。為了避免頻帶利用率的降低和誤碼性能的大幅下降，本文采用了基于音調(diào)注入(Tone Injection，TI)的PAPR降低方法。根據(jù)壓縮感知的相關(guān)理論，首先研究了直流偏置OOFDM(DC-biased OOFDM，D

8、CO-OFDM)的線性TI算法，線性TI算法可以獲得與傳統(tǒng)方案相同的性能，但具有更低的計(jì)算復(fù)雜度。在此基礎(chǔ)上，又將研究重點(diǎn)集中到了混合非對(duì)稱限幅OOFDM(Hybrid Asymmetrically Clipped OOFDM，HACO-OFDM)的TI方案上，針對(duì)HACO-OFDM特殊的時(shí)域構(gòu)造，通過分析其時(shí)域特點(diǎn)，提出了一種非對(duì)稱限幅OOFDM(Asymmetrically Clipped OOFDM，ACO-OFDM)和脈沖幅度調(diào)