宽带可见光通信系统的设计与分析

发布时间：2020-10-27 02:46

　　 当今急剧增长的数据业务和无线应用迫切地需要新的频谱资源投入使用,以改善频谱资源紧缺的现状,并满足下一代通信技术的需要。宽带可见光通信(VLC),作为一种前景光明的接入技术,能够实现极高速的数据传输,具有节能、安全、空间复用率高等优点。可见光通信采用强度调制直接检测(IM/DD)技术,发送信号经非线性发光二极管器件以光强为载体发送,因而可见光信道具有非线性、非复数和非负数的“三非”特性。直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM)是宽带可见光通信系统最普遍使用的多载波传输方式,能充分利用可见光调制带宽,具有频谱效率高,实现简单等优势,受到来自工业界和学术界的广泛关注。本论文以宽带可见光通信中的DCO-OFDM为中心,展开相关的研究和设计。论文的主要结果和贡献总结如下:由于光强信号的单极性,DCO-OFDM中需要引入直流偏置和适当的削波以得到合适的信号波形。过大的直流偏置会导致功率浪费,而过小的直流偏置会引起削波畸变。因此,需要联合优化直流偏置和有效功率设计输出信号波形以平衡削波畸变和系统功耗。在光功率和电功率的约束下,本文分别考虑了平坦信道和色散信道下的信号波形设计问题。在平坦信道下,本文给出了闭式的全局最优解,从而深化了对DCO-OFDM系统设计的理解,总结了直流偏置选择的原则,分析了光功率约束和电功率约束对系统的影响。在色散信道下提出了最优搜索算法和快速算法。本文还结合具体器件讨论了顶部削波对系统的影响。最后,仿真结果验证所提出理论方法能够显著提升系统性能。多光源可见光通信系统可以为室内通信和照明提供无缝覆盖。基于多光源系统,本文提出了偏置波束成形的全新概念以挖掘多光源宽带可见光通信系统的潜在优势。偏置波束成形,顾名思义包括直流偏置和波束成形向量两部分,其目的在于实现多载波(频率域)系统中多个光源(空间域)的协同通信。因此,偏置波束成形的联合设计包含了直流偏置和波束成形向量的联合优化。作为联合优化的基础,本文首先分析了多光源系统的削波效应,提出了适用于多光源的削波模型。在固定偏置时,本文成功找到了最优的波束成形向量的解析形式,并对其结构做了分析。之后,本文联合优化了每个光源的直流偏置,并为平坦信道提供偏置波束成形的闭式全局最优解。基于平坦信道的结果,本文为色散信道设计了偏置波束成形设计的快速算法。通过仿真证实,所提出的设计理论方法具有显著的性能优势。可见光通信可以非常方便地建立基于房间的微小区而无需考虑相互干扰,因此可以在提供多用户接入的同时实现很高的空间复用率。为了达到更高的网络吞吐量,本文研究了基于正交频分多址接入(OFDMA)的下行链路设计问题,考虑了有关偏置、功率和子载波分配的联合优化问题。本文将复杂的系统优化问题拆分成容易求解的子问题。首先考虑了多用户系统中的直流偏置优化算法,对于算法的收敛性和最优性做了详尽的分析和讨论。其次,本文研究了多种功率和子载波分配策略,包括了最优策略和简化算法,以满足实际中不同的复杂度和精度要求。最后,本文设计了两种算法用于联合优化偏置,功率和子载波分配,并分析了算法的收敛性。仿真验证了所提出理论方法的优异性能。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.1
【部分图文】：

图 2-1 DCO-OFDM 系统发射端模块图实数。先在 b 处对 sn进行底部削波得到 sclip,n= clip[sn; b]，其中clip[sn; b] = snsn> b b sn≤ b.(2.1其中 b 是系统的直流偏置。接着，将直流偏置 b 叠加在削波信号 sclip,n上得到 sdc,nsclip,n+ b。时域信号 sdc,n一般需要加一定长度的循环前缀。最后通过数模转化得到了发送的模拟信号 sdc(t)。通过光电二极管产生正比于瞬时光强的电信号 s (t)，并通过模数转化得到数字信号。通过快速傅立叶变换（FFT，fast fourier transform）获得频域信号 Sk。利用简单的单抽头均衡技术将每个子载波的符号 Sk解调得到接收比特。可见光信道可以建模为线性准静态信道[24]。其等效频域信道模型可以表达为
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本文编号：2857909