室内可见光通信系统多用户MIMO技术研究

发布时间：2020-10-09 22:13

　　 频谱资源不受限制、设备成本低以及与现有无线电磁波通信互不干扰等特点使可见光通信成为扩充无线通信系统容量、提升通信覆盖率的一种重要候选技术。多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术对无线电磁波通信系统通信容量的大幅度提升为室内可见光通信系统传输方案的设计提供了重要的参考和借鉴,室内多光源布局的天然条件更加便利了MIMO技术在室内可见光通信系统中的应用。然而,室内可见光独特的传输特性和传输环境使得目前成熟应用于无线电磁波通信系统的多用户MIMO技术无法直接应用于室内可见光通信系统中。论文结合室内可见光通信系统自身特性,对多用户MIMO技术的应用进行研究,取得的主要创新性成果包括:1)论文用信道矩阵行向量间相关系数和信道相关矩阵条件数两个指标给出了室内可见光通信系统MIMO信道相关性的量化指示。理论和仿真分析均表明:在室内可见光通信系统中,同一用户不同接收光电二极管(Photo-Diode,PD)对应的信道高度相关,即便采用了角分集处理的方法,信道相关性依旧很高;2)结合室内可见光通信系统光源分布特性,论文针对单个用户配置单个PD的多用户多输入单输出(Multiple-User Multiple-Input Single-Output,MU-MISO)MIMO架构提出了基于接入点(Access Points,AP)分类的MIMO发射方案。该方案对系统的AP进行区分,只对传输信号存在相互干扰的信道所对应AP的发射信号做干扰消除预编码处理,不仅降低了计算复杂度,还可以提升发射端的功率利用率。理论分析和仿真结果都表明,相比现有的AP统一处理方案,基于AP分类的MIMO发射方案具有更高的系统数据传输速率;3)论文针对单个用户配置多个PD的多用户多输入多输出(Multiple-User Multiple-Input Multiple-Output,MU-MIMO)MIMO架构提出了幂法联合BD预编码方案。该方案采用迭代计算取代现有算法中的SVD分解来求取矩阵最大特征值对应的特征向量,从而大大降低计算复杂度。仿真结果表明,幂法联合BD预编码方案具有与现有的BD预编码方案相当的系统数据传输速率;4)针对多用户MIMO技术在不同场景下的应用,论文提出了等效迫零(Zero Force,ZF)预编码方案和增强型等效ZF预编码方案。仿真分析结果表明,等效ZF预编码方案中单个用户的数据传输速率比较高,且具有更低的计算复杂度,但是系统数据传输速率没有优势;增强型等效ZF预编码方案单个用户的数据传输速率没有优势,但是具有更高的系统数据传输速率。这两种方案可以应用到不同的场景:增强型等效ZF预编码方案适合于用户密集的室内环境,等效ZF预编码方案适合于用户较少的室内场景。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.1
【部分图文】：

1 绪论1.1 研究背景及意义从 20 世纪 80 年代诞生的第一代移动通信到目前马上要进入的第五代移动通信，实现任何人（Anyone）在任何时间（Anytime）、任何地点（Anywhere）进行任何方式（Anyhow）的通信一直是人类追求的目标。频谱是移动通信最重要的资源，获得更多频谱意味着可以提供更高的数据传输速率和更好的用户体验。第四代及其之前的移动通信主要以无线电波频段为载体实现信息的传输。无线电波频段只是所有电磁波频谱中的一小部分，除此之外还有更广泛的波段存在，如图 1-1 所示。受技术局限，之前无线电波频段之外的频段很少被考虑用作大规模的移动通信。日益增长的数据业务需求和越来越匮乏的可用无线电波频谱资源之间的矛盾促使人们寻求无线通信系统新的可能的解决方案。随着人类认知的不断开阔和技术的不断革新，研究者们在尽可能提高现有无线电波频谱利用率的同时，也在探索利用无线电波之外的频段频谱进行数据传输的可行性。

图 2-4 LOS 径信道脉冲响应LED光通道4光通道3L接收端3r4r1r2r1 2 3 4 1h2h2h图 2-5 NLOS 模型信号传输路径下，一个 LED 到一个 PD 的信道冲激响应由直达达的 NLOS 径分量共同组成，计算式为：

图 2-6 一次反射径信道脉冲响应点链路信道的直流增益为：2( 1)cos ( ) cos( )rect( )2 FOVmm Ahd 影响及散热等因素，目前市场上主流商业白光 L个 LED 的发光强度通常无法满足室内光照度的多个小功率的 LED 组成的 LED 阵列。实际场景和圆阵阵列分布[99,100]。根据 LED 的配光曲线，方列中 LED 则均匀分布在圆上，如图 2-7 所示。LED

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本文编号：2834272