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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。