面向下一代无线通信的高容量室内可见光通信技术研究

来源 :西南交通大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:cykic
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
无线通信技术为人们的生活和社会的发展带来了极大便利。但移动互联网和物联网的发展为无线通信技术带来了新的挑战,其中容量的需求和频谱的短缺已经成为无线通信面对的最为棘手的问题。可见光通信(visible light communication,VLC)将通信频谱拓展到可见光波段,具有巨大的通信带宽,无需无线电频谱许可,无电磁干扰,可作为射频通信的互补技术,具有良好的发展前景。但是,VLC的发展仍然面临一些技术挑战,包括:缺少公认的信道模型,室内信道多径效应引起符号间干扰,LED有较窄的调制带宽和非线性效应,多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)系统中信道传输矩阵非满秩等。本文以提高系统的通信容量和频谱效率为目标,围绕多径信道模型、多载波码分多址(multi-carrier code-division multiple-access,MC-CDMA)系统、多入多出正交频分复用(MIMO orthogonal-frequency division-multiplexing,MIMO-OFDM)系统和非正交多址接入技术(non-orthogonal multiple access,NOMA)展开研究。具体研究内容如下:首先,在给定典型房间内,用迭代法计算信道冲激响应,提出建立室内可见光通信离散多径信道模型。在单输入单输出系统中,以光电检测器(PD)到LED的直线距离除以光速作为信道建模时间起点;在多输入多输出系统中,考虑时间弥散性,将光信号从LED阵列几何中心到PD阵列几何中心的传输延迟,作为信道建模时间起点。然后确定离散化时间间隔Tsp,定义从信道建模时间起点开始,时间延迟大于符号周期一半的光信号将引起码间干扰,因此离散化时间间隔为码元传输周期的一半。最后从建模时间起点开始,将时间延迟Tsp之前的所有信道冲激响应之和作为多径信道的第一径,将时间延迟Tsp到2Tsp之间的所有信道冲激响应之和作为多径信道的第二径,以此类推,得到离散多径信道模型。该离散多径信道模型充分考虑了发送符号周期,以及减小时域弥散的影响,为分析多径效应对系统的影响提供了信道基础。其次,在复杂的室内光信道环境,提出将CDMA和非对称限幅光OFDM(ACO-OFDM)技术结合,设计可见光通信ACO-MC-CDMA系统。该系统可以提供多址接入能力,具有抵抗窄带背景光和抗符号间干扰的能力,能够满足强度调制直接检测系统(IM/DD)的要求。通过在逆傅里叶变换(IFFT)之前引入预尺度变换因子而使接收端电信号的信噪比固定,在IFFT之后对信号预限幅,以限制ACO-MC-CDMA信号在LED线性工作区。对高斯分布的信号限幅相当于信号的幅度被衰减,同时引入一个非高斯的限幅噪声。在接收端需要进行FFT变换,根据中心极限定理,非高斯限幅噪声转变为零均值的高斯分布噪声。在视线传播(LOS)信道和屋顶反射(Ceiling-Bounce)漫射信道模型下,接收端采用等增益合并(EGC)、最大比合并(MRC)和正交恢复合并(ORC)时,推导了系统的理论信噪比表达式。建立了蒙特卡洛(Monte Carlo)误码率仿真模型对理论分析进行了验证。结果表明,ACO-MC-CDMA系统比Flip-OFDM与CDMA结合的Flip-OFDM-CDMA,以及U-OFDM与CDMA结合的U-OFDM-CDMA系统BER性能更好。再次,分别以直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)和ACO-OFDM作为发射信号,建立了空间复用VLC-MIMO系统,详细分析了系统的设计原理。在室内可见光MIMO通信多径信道模型下,收端采用迫零(ZF)检测和最小均方误差(MMSE)检测算法,推导了MQAM解调时的信(干)噪比公式,并进行了Monte Carlo仿真验证和性能分析。为了保证性能比较的公平性,假设室内照明发射光功率不变,研究误码率(BER)随着发送端的电能量Es与AWGN功率谱密度N0之比之间的关系,这样就可以将PD在不同位置时信道的差异引入到了性能分析。同时为了描述多径效应带来的功率损失(penalty),引入了接收信号功率衰减系数,用于描述由于PD位置的改变而使接收端信号平均功率的改变。结果表明,多径效应对系统的误码率性能影响很大,要达到同样的误码率性能,就需要更大的信噪比。另外,直流偏置的大小会直接影响MIMO-DCO-OFDM系统的误码率性能。最后,基于DCO-OFDM技术设计了NOMA-DCO-OFDM系统。分析了子信道上功率分配因子之和与IFFT输出时域信号方差之间的关系。在可见光通信多径信道模型,物理可实现LED线性工作区输入信号范围受限的条件下,推导了用户在受非线性限幅噪声影响时的信干噪比公式。采用分数阶功率分配(FTPA)、增益比功率分配(GRPA)和静态功率分配(SPA)方法,研究系统和速率随着LED半功率角、PD的视场角(FOV)以及GRPA和SPA功率衰减系数的变化规律。当用户在室内随机分布时,用户的信道增益也是随机的,对应的系统和速率也随机变化。因此采用多次仿真,然后对每次仿真的和速率求数学期望的方法,得到平均和速率。结果表明,LED半功率角、PD的视场角(FOV)以及功率分配方法的变化对系统和速率影响很大,可以通过优化这些参数提高系统容量。
其他文献
养老保险逃费是伴随养老保险资金筹集实施出现的。逃费问题是养老保险制度强制实行的必然结果,在全球范围都是一个共性问题,对养老保障制度的管理、运行和资金筹集影响巨大。本
支气管异物是小儿常见的急症.由于异物大小、形态、种类、阻塞部位、坠入方式等不同而呈多种X线表现.作者在广西医科大学一附院放射科进修期间,收集了该院近年来(1998~2000年)
目的探讨分析给予胸腔镜下小切口肺大泡切除术患者围手术期实施优质护理干预的临床疗效。方法抽取本院2017年7月至2018年12月收治的38例行胸腔镜下肺大泡切除术患者的临床资
在世界各国刑事案件的案发量统计中,“小案”的比例始终占七成以上,甚至更高。然而其极高的案发量和极低的破案率严重影响着社会治安的稳定和社会风气的和谐。通过刑事案件之
蒙古草原作为草原文化的典型代表和集大成者,表现了一种特殊的文化精神,尤其是其万物有灵的自然崇拜文化,生态意蕴十足。蒙古草原自然崇拜有其现实的生态基础,乃人与自然沟通的特
土地系统作为陆地表层最核心的部分,是人类社会与自然环境相耦合的复杂系统,其变化深刻影响着物质、能量的循环过程,改变生态系统服务流动及人类福祉,威胁生态安全。随着人类
通过对公务员考核制度重要性和公务员考核过程中存在问题的分析,提出完善我国公务员考核制度的对策。
在中非关系升级的背景下,浙江以其与非洲国家之间经济、文化和学术的紧密联系成为中非交往的重要平台。文章采用内容分析的方法,对比研究了过去5年来非洲10家报纸和作为西方
<正>所谓轻资产运营模式,就是将产品制造和零售分销业务外包,自身则集中于设计开发和市场推广等业务;市场推广主要采用产品明星代言和广告的方式。轻资产运营的模式可以降低
<正>2011年至今,历时6年的海昏侯墓考古工作,通过种种证据证明这座墓就是西汉海昏侯刘贺墓,从此由海昏侯墓及其墓园和其周围庞大的墓葬群以及完整的都邑遗址组成的汉代海昏侯