室內(nèi)可見光通信中高效傳輸理論與技術研究.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，已經(jīng)引起了人們的廣泛關注。隨著RF頻譜資源的日益匱乏和對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，被認為是一種具有廣泛應用前景的無線通信技術。高效傳輸是通信系統(tǒng)設計的關鍵，近來，一些高效傳輸技術在

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)、正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)等技術。在VLC背景下，一個重要的問題是如何在考慮VLC特點的情況下優(yōu)化設計這些高效傳輸技術，挖掘它們在VLC中潛在的應用優(yōu)勢。本文主要圍繞VLC中MIMO和OFDM技術的優(yōu)化設計展開研究，具體而言，論文的主要研究

3、工作和貢獻如下:
　　首先，在VLC光功率約束下，研究了VLC中MIMO收發(fā)機的優(yōu)化設計。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特點的情況下，通過推導建立了適用于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)，避免信號的非線性失真。在該光功率約束基礎上，依據(jù)最小均方誤差(Minimum Mean-Square Error,MMSE)準則，建

4、立了VLC中MIMO收發(fā)機設計的優(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，同時能夠實現(xiàn)LED的調(diào)光控制，滿足用戶對室內(nèi)照明亮度的不同需求。仿真結果表明，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)機的優(yōu)化設計。根據(jù)對MIMO收發(fā)機的光功率約束，推導了VLC中多用戶收發(fā)機滿足的光功率約束。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)機的優(yōu)化設計。具體地，以最小化最大MSE為設計目標，建立了關于VLC多用戶MISO收發(fā)機設計的優(yōu)化問題，并提出了一種多用戶MISO最優(yōu)收發(fā)機的設計算法。該算法有效地抑制了多用戶干擾

6、，同時保證了用戶間通信的公平性。在此基礎上，又將迫零(Zero-forcing，ZF)準則引入到設計中，給出了一種最優(yōu)的ZF收發(fā)機設計算法，該ZF算法是一種在通信性能和實現(xiàn)復雜度兩個方面折中的方案。進一步地，本文又將研究對象擴展到更一般的多用戶MIMO的場景，在光功率約束下建立了關于多用戶MIMO收發(fā)機設計的優(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)的設計方案。仿真結果驗證了提出方案相比于傳統(tǒng)的ZF和塊對角化(Block Dia

7、gonalization，BD)方案在性能上的優(yōu)勢。
　　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，但具有更低的計算復雜度。在此基礎上，又將研究重點集中到了混合非對稱限幅OOFDM(Hybrid Asymmetrically Clipped OOFDM，HACO-OFDM)的TI方案上，針對HACO-OFDM特殊的時域構造，通過分析其時域特點，提出了一種非對稱限幅OOFDM(Asymmetrically Clipped OOFDM，ACO-OFDM)和脈沖幅度調(diào)