發(fā)布時間：2020-03-18 02:17

【摘要】：隨著虛擬現(xiàn)實、高清視頻等內(nèi)容豐富型應用業(yè)務的爆發(fā)式增長以及高性能移動設備、智能家居設備及可穿戴設備等的快速普及,基于射頻(Radio Frequency,RF)的無線通信正面臨日益嚴峻的“頻譜資源危機”問題。近年來,可見光通信(Visible Light Communication,VLC)憑借其廣闊的頻譜資源、兼顧照明與通信、免受電磁干擾等顯著優(yōu)勢被廣泛認為是一項具有潛力的、可與RF無線通信技術有力互補的新興技術。本論文依托于國家自然科學基金項目,從目前基于VLC的三大熱門應用——可見光定位、數(shù)據(jù)傳輸及照明通信出發(fā),分別就如何實現(xiàn)全自動化場景中有效三維可見光定位、如何實現(xiàn)低成本高速VLC調制均衡以及在兼顧照明的VLC系統(tǒng)中如何實現(xiàn)高頻譜效率通信三大關鍵問題展開深入研究。本論文的主要創(chuàng)新性工作總結如下:一、基于VLC的定位技術研究針對物聯(lián)網(wǎng)時代全自動化應用的定位需求,本論文提出一種基于分層三邊定位和最優(yōu)選擇算法的三維可見光定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)首先根據(jù)發(fā)光二極管(Light-emitting Diode,LED)空間布置特性和其位置信息縮小待定位設備所在的空間區(qū)域;其次,通過比較判斷接收信號的方法,選擇遠離定位光源的光電二極管(Photodiode,PD)為后續(xù)定位過程的接收機,該選擇過程可以有效避免接收機視場角(Field of View,FOV)限制所導致定位盲區(qū)的情況;最后,在縮減空間中聯(lián)合實施基于分層三邊定位和最優(yōu)選擇算法的定位過程,即可實現(xiàn)無定位盲區(qū)的高精度三維定位。二、基于正交頻分復用(Orthogonal Frequency-division Multiplexing,OFDM)的VLC調制均衡研究為緩解日益增大的RF頻譜壓力,針對VLC系統(tǒng)有限的線性動態(tài)范圍以及低通帶寬限制,本論文就兩種典型的OFDM方案——非對稱截斷光 OFDM(Asymmetrically Clipped Optical OFDM,ACO-OFDM)和直流偏置光OFDM(Direct Current Biased Optical OFDM,DCO-OFDM)分別提出:(1)基于離散哈特萊變換(Discrete Hartley Transform,DHT)的非對稱截斷光單載波頻分復用(Asymmetrically Clipped Optical Single-Carrier Frequency-Division Multiplexing,ACO-SCFDM)VLC方案,該方案采用基于DHT擴展的方式降低ACO-OFDM信號峰均功率比(Peak-to-average Power Ratio,PAPR),其一維調制星座及簡化編碼可以極大地降低計算復雜度。通過仿真驗證,ACO-SCFDM方案可以降低對數(shù)模轉換器分辨率的要求,并提高對LED非線性轉換特性的容忍度,證明了其成本有效性;接收端采用級聯(lián)One-tap均衡和符號內(nèi)頻域平均(Intra-symbol Frequency-domain Averaging,ISFA)信道平滑方法,可以實現(xiàn)有效的信道估計與均衡。仿真結果表明所提方案相比于傳統(tǒng)ACO-OFDM方案具有明顯的性能及復雜度優(yōu)勢。(2)基于離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)的實值間插SCFDM(Interleaved SCFDM,I-SCFDM)VLC方案,該方案采用基于DFT擴展的方式實現(xiàn)DCO-OFDM信號PAPR的降低,采用簡化編碼實現(xiàn)低復雜度信號的生成,且該方案繼承了SCFDM抗高頻失真的優(yōu)點,可以有效抵抗VLC低通帶寬特性引入的失真。仿真結果表明在線性度及系統(tǒng)帶寬受限的VLC系統(tǒng)中,該方案相比于DCO-OFDM方案具有顯著的Q2優(yōu)越性;此外,搭建基于實值I-SCFDM的低成本VLC實驗平臺(系統(tǒng)3-dB帶寬僅為2.1 MHz),結果表明本方案采用低復雜度的級聯(lián)頻-時域后均衡方法,可實現(xiàn)100 Mb/s傳輸速率下傳輸2.1 m的自由空間距離。三、基于OFDM的高譜效調光VLC研究針對實際應用中LED的照明控制功能會惡化VLC系統(tǒng)頻譜效率的問題,本論文就傳統(tǒng)基于ACO-OFDM和DCO-OFDM調光VLC方案分別提出兩類高頻譜效率的通信方案:(1)基于非對稱混合光 SCFDM(Asymmetrically Hybrid Optical SCFDM,AHO-SCFDM)的調光VLC方案,該方案設計了上下兩層極性可調的ACO-SCFDM信號結構,可以更好地適應LED有限的線性動態(tài)范圍,并且相比于ACO-OFDM方案,增加了所用的子載波資源;同時,AHO-SCFDM方案繼承了SCFDM低PAPR和抗高頻失真的優(yōu)點,仿真驗證該方案在寬調光范圍下可實現(xiàn)高譜效的通信。在此基礎上,通過進一步提高系統(tǒng)所使用的子載波數(shù)量,提出基于分層/提高的 ACO-SCFDM(Layered/Enhanced ACO-SCFDM,L/E-ACO-SCFDM)的調光VLC方案,實現(xiàn)基于多層ACO-SCFDM的調光方案,該方案通過聯(lián)合優(yōu)化層信號幅度、層頻譜效率及信號偏置來獲得最大系統(tǒng)可獲得頻譜效率,憑借低PAPR、抗高頻失真及靈活信號結構的優(yōu)勢實現(xiàn)不同調光要求下的高頻譜效率通信。(2)基于直流偏置光SCFDM(Direct Current Biased Optical SCFDM,DCO-SCFDM)的調光VLC方案,該方案采用具有低PAPR的實值I-SCFDM實現(xiàn)調光VLC,在保證DCO-OFDM高頻譜效率的基礎上,解決了DCO-OFDM高PAPR的缺點,保證所提方案在LED有限動態(tài)范圍內(nèi)遭受較少的幅度截斷失真,并通過其抗高頻失真的優(yōu)勢進一步提高在帶寬受限的調光VLC系統(tǒng)中可獲得頻譜效率。在此基礎上,提出基于空間域調光SCFDM(Space-domain Dimming Control SCFDM,SD-SCFDM)的VLC方案,該方案利用VLC的空間疊加特性引入空間調光因子,通過調節(jié)激活LED芯片數(shù)量實現(xiàn)不同亮度的調節(jié),從而避免基于DCO-SCFDM調光方案在實現(xiàn)不同調光要求中需要聯(lián)合調節(jié)信號幅度和偏置的復雜度問題;最終驗證,該方案在整個調光范圍內(nèi)的可獲得頻譜效率高于基于DCO-OFDM空間域調光方案,而且大大降低了不同頻譜效率下實現(xiàn)調光功能所要求的LED芯片數(shù)量。綜上,本論文從可見光三維定位、基于OFDM的VLC調制均衡及基于OFDM的高譜效調光VLC三方面對VLC三大應用場景展開深入探討與研究,本論文取得的研究成果為VLC在5G及未來B5G中的實際應用打下了堅實的基礎。
【圖文】：

全球移動數(shù)據(jù)流量正以４６％的年復合增長率（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ邋Ａｎｎｕａｌ邋Ｇｒｏｗｔｈ逡逑Ｒａｔｅ，邋ＣＡＧＲ）快速增長，到２０２２年全球移動數(shù)據(jù)流量將達到每月７７．５艾字節(jié)，逡逑來自無線和移動設備的流量將達到全球總ＩＰ流量的７１％，如圖１－１所示。面對逡逑日益增長的流量需求，目前基于射頻（Ｒａｄｉｏ邋Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，邋ＲＦ）的無線通信正面臨逡逑越來越緊迫的流量壓力［５＿９］。逡逑Ｍｏｂｉｌｅ邋（４６％邋ＣＡＧＲ）逡逑？邋Ｆｉｘｅｄ邋Ｗｉ－Ｆｉ邋ｆｒｏｍ邋Ｗｉ－Ｆｉ－Ｏｎｌｙ邋Ｄｅｖｉｃｅｓ邋（１８％邋ＣＡＧＲ）邋７７．５逡逑＂Ｓ邋＾邐ｓ邋Ｆｉｘｅｄ＊Ｗｉ－Ｆｉ邋ｆｒｏｍ邋Ｍｏｂｉｌｅ邋Ｄｅｖｉｃｅｓ邋（５３％邋ＣＡＧＩ＾逡逑Ｃ邋３００邐■邋Ｆｉｘｅｄ／Ｗｉｒｅｄ邋（１５％邋ＣＡＧＲ）邐｜逡逑Ｉ邋２５０邐，邐｜邐一７１％逡逑Ｓ邋２００邐ｆｌ邋１１邐，邋ｍｌ逡逑ｉ１５°邋？邋＾邋Ｉ邋Ｊ邋■邋ＪＪ逡逑ａ’邋ｉ邋ｉ邐Ｉ邐＂Ｉ，逡逑２０１７邐２０１８邐２０１９邐２０２０邐２０２１邐２０２２逡逑圖１－１思科預測２０１７年到２０２２年全球］Ｐ流量的增長趨勢圖［４】逡逑基于ＲＦ的無線通信技術覆蓋廣泛的業(yè)務應用，如調幅／頻無線電廣播、電視、逡逑蜂窩電話、導航、雷達及衛(wèi)星通信等［１Ｑ］。圖１－２所示為電磁波頻譜分布及應用示逡逑意圖［１１］。隨著業(yè)務流量需求的快速上升，基于ＲＦ的無線通信正面臨日益嚴重的逡逑“頻譜資源危機”問題。近年來，為了緩解ＲＦ頻譜資源緊張的問題，大規(guī)模天逡逑線陣列、新型多址技術、超密集組網(wǎng)及認知無線電等無線關鍵技術成為研究熱點逡逑［９］。然而

可見光通信（Ｖｉｓｉｂｌｅ邋Ｌｉｇｈｔ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，邋ＶＬＣ）是一種使用波長為３８０逡逑ｎｍ？７８０邋ｎｍ的可見光電磁波段進行通信的無線通信技術，其擁有近４００邋ＴＨｚ的逡逑廣闊頻譜資源，為解決目前ＲＦ邋“頻譜資源危機”問題提供了一條廣闊的途徑［ｎ＿逡逑１３］。早期的ＶＬＣ研宄工作可追溯到十九世紀八十年代貝爾發(fā)明光子電話，該研逡逑究成功實現(xiàn)聲音信號到光信號的調制，并在接收端使用電子檢測管成功實現(xiàn)光信逡逑號的解調，雖然不同于現(xiàn)在意義的ＶＬＣ，但是其為后續(xù)ＶＬＣ的發(fā)展指明了方向逡逑［１４’１５］。在二十世紀七十年代，，美國學者ＭａｒｔｉｎＲＤａｃｈｓ首次提出“兼顧照明和信逡逑息傳輸功能的ＶＬＣ”的概念［１６］；并在后續(xù)幾十年的研究中，眾多研究者們實現(xiàn)逡逑了使用日光燈或者白熾燈的ＶＬＣ系統(tǒng)，其電子燈鎮(zhèn)流器采用脈沖－頻率調制等方逡逑案或者特殊的電路設計以確保沒有可察覺的燈光閃爍［１７］。由于日光燈和白熾燈的逡逑光源特性并不穩(wěn)定，基于這兩類燈的ＶＬＣ并沒有得到廣泛深入地研究與推廣。逡逑直到二十世紀九十年代末，基于半導體材料的發(fā)光二極管（Ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ逡逑Ｄｉｏｄｅ，邋ＬＥＤ）成功實現(xiàn)商業(yè)化才徹底打破了邋ＶＬＣ研究發(fā)展的桎梏，至此，推開逡逑了基于ＬＥＤ邋ＶＬＣ研究的大門。采用半導體材料的ＬＥＤ具有眾多優(yōu)良特性［１８＿２１］：逡逑
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.1

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本文編號：2588061