成像通信系統(tǒng)性能研究與優(yōu)化.pdf

1、近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，移動用戶的業(yè)務流量呈爆炸式增長。為了實現(xiàn)熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠的通信連接，以擴展頻譜帶寬的高頻段傳輸成為下一代移動通信的關鍵技術。其中，以可見光通信技術為代表的光保真技術(LiFi)因其具有超大帶寬、綠色高能效、無電磁干擾以及易部署等優(yōu)點，成為構建具有高頻譜效率與高能量效率超密集異構網(wǎng)絡的重要選擇。成像光通信是一種特殊的可見光通信方式，在實現(xiàn)泛在部署、超大規(guī)模光多輸入多輸出(MI

2、MO)接收、多頻（色）接收以及大視場角抗干擾接收等方面有著明顯的優(yōu)勢。因此，基于成像通信的研究對構建大容量無線光通信網(wǎng)絡意義重大。
　　從現(xiàn)有關于成像通信的研究來看，大多集中于調(diào)制技術、系統(tǒng)同步及系統(tǒng)實現(xiàn)等方面。但從后續(xù)關于最優(yōu)傳輸信號設計、最佳信號檢測與估計以及信道編碼譯碼等方面的研究來看，構建一個能夠統(tǒng)一表征成像通信的通信模型，同時基于此模型進行性能分析的研究至關重要。因此，本文針對成像通信特點，構建成像通信系統(tǒng)模型，推導不同

3、通信場景下的信道容量，并通過實驗的辦法驗證所構建通信模型及容量性能理論分析的正確性。本論文的主要研究內(nèi)容和貢獻如下:
　　(1)構建能夠統(tǒng)一表征成像通信的通信模型，包括信號模型、噪聲模型及統(tǒng)計信道模型?？紤]照明約束條件，給出了由多維正交基函數(shù)集合構成的非負信號可行域、平均光功率約束可行域及峰值光功率可行域空間。建立了包括源端輻射模式、光學系統(tǒng)響應、像素探測器響應以及指向偏差等因素在內(nèi)的統(tǒng)計信道模型。同時基于光電器件的物理性質(zhì)及制造

4、工藝影響，系統(tǒng)分析了成像接收機中的噪聲分量。最后建立能夠統(tǒng)一表征成像通信的通信模型。
　　(2)在發(fā)射端信道信息(CSIT)已知的情況下，首先將單光源構成的理想成像單輸入單輸出(SISO)信道建模為混合式依賴信號的高斯噪聲(M-SDGN)信道。針對M-SDGN信道，我們分析了基于熵率不等式、輸入輸出微分熵、容量對偶方法以及球填充理論等方法在進行M-SDGN信道容量推導時的不適用性。接下來，我們在數(shù)學上證明了使得M-SDGN信道容量

5、可達的最優(yōu)輸入分布的唯一性以及離散性，并給出了滿足最優(yōu)輸入分布的充分必要條件。最后，在給定最優(yōu)輸入分布充分必要的條件上，我們證明了x=0為最優(yōu)幅度質(zhì)點的結(jié)論，并結(jié)合Blahut-Arimoto迭代算法設計出低復雜度的離散輸入分布搜索算法。
　　(3)在CSIT已知的情況下，我們將多光源構成的成像MIMO信道建模為MIMO-SDGN信道。針對成像MIMO-SDGN信道，我們首先分析了和容量可達最優(yōu)輸入分布不再為離散輸入分布。之后，我

6、們分別通過信道矩陣求逆、QR分解以及具有直流偏置的奇異值分解(DC-SVD)分解的方法將MIMO-SDGN信道解耦為具有不同光約束及SDGN的并行光信道。之后，我們給出了該并行光信道和容量上下界的閉式表達，以及所達和容量上下界的功率分配策略。仿真結(jié)果表明，所推導的成像MIMO-SDGN信道和容量上下界在高信噪比下具有較小的間隙，體現(xiàn)了容量緊界的特征，并且驗證了基于信道矩陣求逆及QR分解方法所求的和容量大于DC-SVD解耦辦法。
　

7、　(4)搭建成像通信試驗平臺，統(tǒng)計分析成像通信中的噪聲模型，比較系統(tǒng)實際所達速率與理論容量性能的性能差異。通過實驗，我們驗證了成像通信中的噪聲為高斯白噪聲，輸入光信號與輸出噪聲方差之間呈二次函數(shù)關系，從而驗證了所提M-SDGN信道模型的正確性。另外我們測試了優(yōu)化設計后的成像SISO系統(tǒng)與成像MIMO系統(tǒng)所能達的傳輸速率，并且與相應參數(shù)下的理論容量性能進行比較。結(jié)果表明，不管是優(yōu)化后的脈沖幅度調(diào)制SISO(PAM-SISO)系統(tǒng)還是顏色強