可见光多用户MIMO系统中的空间调光技术研究

发布时间：2020-10-16 05:21

　　 当前新兴业务和无线设备数目的激增导致了无线流量特别是室内流量需求的飞速增长,射频频谱资源紧缺的问题正不断凸显。随着发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)等新型照明技术的推广,基于LED 的可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术为满足室内绿色照明和高速通信需求提供了新的途径。然而,由于室内用户设备的日益增长,现有点对点的可见光通信已经难以满足未来室内多用户高速通信的需求。可见光多用户多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统可以充分利用可见光信号下行广播的特性,实现多个用户的数据传输。考虑到照明是LED的基本功能,研究可见光多用户MIMO系统调光技术,对实现兼容照明的多用户高速通信和推动可见光多用户MIMO系统的实际应用具有重要意义。传统可见光通信的调光技术利用不同的信号维度(幅度、占空比)来调节光功率。在可见光多用户MIMO系统中,面临着多用户干扰(Multi-user Interference,MUI)、用户信道相关性较高以及用户信道状态不一致的问题。传统调光由于可用来调节光功率的信号维度有限,面临着牺牲用户较大通信性能的问题。事实上,在可见光多用户MIMO系统中发送端的多个LED所带来的信道状态信息(Channel State Information,CSI)也是可被利用的重要资源。在传统调光技术的基础上,论文通过挖掘CSI信息所带来的空间域资源,研究可见光多用户MIMO系统中的空间调光技术,可以有效实现系统高效照明和多用户高速通信的兼容。论文通过空间信息处理,充分挖掘可见光多用户MIMO系统的CSI,研究了空间维度调光的新理论和新方法,有效避免传统调光由于改变了信号幅度和占空比所带来的通信性能损伤,使得提升用户通信性能的目标得以实现。具体研究内容如下:首先,为了解决MUI消除与调光的兼容问题,研究基于用户间干扰消除的空间调光技术。针对可见光多用户多入单出(Multi-user Multiple Input Single Output,MU-MISO)系统分别提出了基于迫零预编码的空间调光(Zero Forcing Precoding based Spatial Dimming,SD-ZF)和基于最小均方误差预编码的空间调光(Minimum Mean-Squared Error Precoding based Spatial Dimming,SD-MMSE)方案。SD-ZF和SD-MMSE直接改变工作LED的数目实现光功率调节,能够有效降低信号的削峰失真。同时通过发送天线选择(Transmit Antenna Selection,TAS)来改善系统预编码方案的性能。理论分析和仿真结果表明,SD-ZF和SD-MMSE方案相比于基于ZF预编码的模拟调光(ZF Precoding based Analogue Dimming,AD-ZF)和基于MMSE预编码的模拟调光(MMSE Precoding based Analogue Dimming,AD-MMSE)方案可以有效降低用户削峰噪声,并提升了系统的通信性能。在70%亮度、BER门限为10-3的条件下,SD-ZF相比于AD-ZF可以获得4 dB左右的信噪比增益。其次,针对用户信道相关性限制调光精度的问题,研究基于用户信道去相关的空间调光技术。在可见光多用户多入多出(Multi-user Multiple Input Multiple Output,MU-MIMO)系统中提出了模拟—空间协同调光(Joint Analogue Spatial Dimming,JASD)方案。JASD联合调节系统的工作LED数目和信号直流偏置,能够在保障系统调光精度的前提下有效降低发送端的LED数目,从而改善用户信道相关性。此外,JASD利用CSI采用基于最大化最小奇异值准则的发送天线选择(Maximized Minimum Singular Value based TAS,TAS-MMSV)算法来确定工作LED,有效改善用户的信道增益。JASD相比于模拟调光(Analogue Dimming,AD)方案可以有效降低系统在低亮度条件下的削峰噪声并提升用户的通信性能。在80%亮度、BER门限为l0-3的条件下,JASD相比于AD可以实现13dB左右的信噪比增益。最后,针对用户信道状态不一致限制通信容量的问题,研究基于用户信道状态自适应的空间调光技术。在可见光MU-MIMO系统中通过用户信道状态自适应的功率分配,提出了功率—模拟—空间协同调光(Joint Power Analogue Spatial Dimming,JPASD)方案。首先分析模拟—空间协同调光在不同亮度条件下的信号电功率并与模拟调光进行比较,说明由于模拟—空间维度的协同能够实现更高的电信号功率,以此为基础进一步联合功率域提升用户通信性能。接下来,本文研究在不同亮度下如何自适应用户信道状态的差异,在发送端利用CSI进行用户功率分配。为了提升用户在不同亮度的通信容量,本文提出了用户信道状态自适应的功率分配算法。理论和仿真结果表明,JPASD相比于功率均匀分配的方案能够有效降低信道状态不一致带来的通信容量损失。同时相比于功率—模拟协同调光(Joint Power Analogue Dimming,JPAD)方案,JPASD在不同亮度下可以实现更高的信号电功率,从而显著提升系统的通信容量。在80%亮度、系统容量门限为40bit/s/Hz的条件下,JPASD相比于JPAD、JASD和AD分别实现了3dB、5dB和7dB左右的信噪比增益。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.1
【部分图文】：

。多地关注，目前已经提出了利用改进接收机提升移动性［Ｉ４Ｇ，１４Ｕ以及相术［１４３］。??综上可知，目前可见光通信己经在诸多领域表现除了良好的应用前景，阶段而言，可见光通信仍主要应用在室内场景。同时物理层技术已经速、稳定的可见光通信链路，在此基础上通过ＭＡＣ层技术可以实现接入并通过小区优化和协作提升系统的性能，这些内容可为本文研究户ＭＩＭＯ系统的通信与照明提供依据。??可见光多用户ＭＩＭＯ??现有可见光通信技术的研宄主要针对单用户场景，具有静态、单向、点，目前的研宄成果已经表明可见光通信技术的可行性和广阔前景，可见光通信适用于更多的应用场景，需要实现可见光通信节点的全使其能够满足多用户接入和移动通信的需求。为了解决这些实际问题，用户系统的设计、分析和优化等问题得到了越来越多的关注ｌｗ］。??

用户设备进行通信，因此单点对多点的可见光多用户ＭＩＭＯ系统得到了越来越??多的关注。多用户ＭＩＭＯ指的是在多天线的终端之间进行无线通信。相比于其??他多址接入方式，多用户ＭＩＭＯ系统可以有效利用时、频、空等资源，在鲁棒??性和系统容量方面具有较明显的优势。在室内照明中光源通常由多个ＬＥＤ构成??且便于直接控制，研究基于可见光的多用户系统具有明显的优势。它具有单用户??ＭＩＭＯ系统分集或复用的优点，可以有效提升单个用户通信速率；同时可以采用??空分复用的方式提升系统整体的通信容量。目前多用户ＭＩＭＯ已经在ＲＦ通信中??的ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄ、ＩＥＥＥ?８０２．１１ａｃ标准中得到应用。在无线蜂窝网中多用户ＭＩＭＯ??可以实现基站（Ｂａｓｅ?Ｓｔａｔｉｏｎ，ＢＳ）和用户设备之间的上行或下行通信，其中基站??配备多天线的基站，根据接收端用户配备单个或多个天线可以分为多用户多入单??出（Ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｉｎｐｕｔ?Ｓｉｎｇｌｅ?Ｏｕｔｐｕｔ，?ＭＵ－ＭＩＳＯ）系统和多用户多入多出??（Ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｉｎｐｕｔ?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｏｕｔｐｕｔ，?ＭＵ－ＭＩＭＯ）系统［１４６］。根据信息论的??观点，在配备集中式处理器的单个小区中，可以将上行和下行的多用户ＭＩＭＯ??通信场景分别建模为多接入信道（Ｍｕｌｔｉ－ａｃｃｅｓｓ?Ｃｈａｎｎｅｌ，ＭＡＣ）和广播信道??（Ｂｒｏａｄｃａｓｔ?Ｃｈａｎｎｅｌ，?ＢＣ）〇??

北京邮电大学工学博士学位论文???．３可见光通信的调光技术??目前，大多数可见光通信技术研究的重点在于如何实现系统的高速通信，能??满足可见光系统在通信方面的需求。然而用户在照明方面的需求同样作为可见??通信系统的重要内容却常常被忽略。通常，室内环境的照明需求与应用场景密??相关，例如日常人类在阅读或写作时需要的亮度约为３００１ＵＸ，而操作电脑时仅??需要３０１ｕｘ的亮度倘若能够根据不同的应用需求智能调节环境的亮度则能??节约大量的能量，同时有利于延长灯源的使用寿命。然而可见光通信技术作为??种结合了照明的通信技术，其通信速率往往受限于照明需求的限制，如为满足??同亮度的照明需求，必须研究相关的调光理论与技术来平衡照明与通信性能。??“??
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本文编号：2842824