可見光通信系統(tǒng)容量分析與星座設(shè)計.pdf

1、隨著無線傳輸需求的飛速發(fā)展，無線頻譜資源日益緊張。雖然人們嘗試采用各種先進(jìn)技術(shù)來提高無線頻譜資源的利用率，但是無線頻譜資源的緊張仍未得到有效緩解。作為傳統(tǒng)射頻通信的有效補(bǔ)充，可見光通信近年來引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，并逐漸成為了當(dāng)前的研究熱點之一?？梢姽馔ㄐ啪哂胁煌趥鹘y(tǒng)無線射頻通信的特點，因此無線射頻通信中的相關(guān)結(jié)果并不能直接應(yīng)用到可見光通信中。鑒于此，本論文將對可見光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，主要工作包括以下四個部分：

2、r>　　第2章推導(dǎo)了點對點可見光通信系統(tǒng)的信道容量上、下界的理論表達(dá)式。本章在獨立于信號的高斯噪聲下，考慮光信號強(qiáng)度為非負(fù)、峰值光強(qiáng)有上限以及平均光強(qiáng)為常數(shù)三個約束條件，利用“熵冪不等式”、“變分法”等思想，推導(dǎo)了容量下界的理論表達(dá)式;利用“相對熵”等思想，推導(dǎo)了容量上界的理論表達(dá)式。此外，還分析了容量上、下界之間的誤差。通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，所得容量上、下界非常緊，驗證了所得理論表達(dá)式的準(zhǔn)確性。
　　第3章推導(dǎo)了多輸入多輸出可見光通

3、信系統(tǒng)的容量界的理論表達(dá)式，并對接收機(jī)的位置進(jìn)行了規(guī)劃。本章假設(shè)收發(fā)端均具有完美的信道狀態(tài)信息，通過對信道矩陣進(jìn)行奇異值分解，將多輸入多輸出信道轉(zhuǎn)換成相互獨立的并行信道。在光強(qiáng)信號為非負(fù)、峰值光強(qiáng)有上限以及平均光強(qiáng)為定值的約束條件下，利用“熵冪不等式”和“變分法”等思想，推導(dǎo)了信道容量下界的理論表達(dá)式?；谌萘肯陆绫磉_(dá)式，給出了關(guān)于接收機(jī)位置擺放的最優(yōu)化問題，并通過基于粒子群優(yōu)化的迭代搜索算法對問題進(jìn)行了求解。數(shù)值結(jié)果對所得容量界表達(dá)式

4、和接收機(jī)的位置規(guī)劃方案進(jìn)行了驗證。
　　第4章對室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的星座進(jìn)行了設(shè)計。本章考慮一個點對點的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)，噪聲為獨立于信號的高斯白噪聲，調(diào)制方式采用脈沖幅度調(diào)制。在光信號具有非負(fù)約束、峰值光強(qiáng)約束和平均光強(qiáng)約束的條件下，基于兩種常見的星座設(shè)計策略，提出了一種聯(lián)合星座設(shè)計策略。在所提策略中，信號星座由星座點幅度、星座點概率和調(diào)制階數(shù)三個參數(shù)決定。然后，給出了星座設(shè)計優(yōu)化問題，并提出了改進(jìn)的Blahut-Arimot

5、o迭代算法。為了降低計算復(fù)雜度，還提出了低復(fù)雜度的次最優(yōu)算法。數(shù)值結(jié)果對所提算法的性能進(jìn)行了驗證。
　　第5章對室外可見光通信系統(tǒng)的星座進(jìn)行了設(shè)計。在本章中，信道增益由大氣衰減、大氣湍流和指向誤差綜合確定，并且在信道相干時間內(nèi)是一個常數(shù)。在信號的非負(fù)性、峰值光強(qiáng)和平均光強(qiáng)三個約束條件下，給出了可見光通信系統(tǒng)的信號空間。針對相干和非相干檢測，給出了相應(yīng)的距離準(zhǔn)則?；趦煞N距離準(zhǔn)則，給出了星座設(shè)計優(yōu)化問題，并提出了一個基于內(nèi)點法的迭代