可见光通信系统容量分析与星座设计

发布时间：2017-06-22 14:16

  本文关键词：可见光通信系统容量分析与星座设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着无线传输需求的飞速发展,无线频谱资源日益紧张。虽然人们尝试采用各种先进技术来提高无线频谱资源的利用率,但是无线频谱资源的紧张仍未得到有效缓解。作为传统射频通信的有效补充,可见光通信近年来引起了学术界和产业界的广泛关注,并逐渐成为了当前的研究热点之一。可见光通信具有不同于传统无线射频通信的特点,因此无线射频通信中的相关结果并不能直接应用到可见光通信中。鉴于此,本论文将对可见光通信系统中的关键问题进行研究,主要工作包括以下四个部分：第2章推导了点对点可见光通信系统的信道容量上、下界的理论表达式。本章在独立于信号的高斯噪声下,考虑光信号强度为非负、峰值光强有上限以及平均光强为常数三个约束条件,利用“熵幂不等式”、“变分法”等思想,推导了容量下界的理论表达式；利用“相对熵”等思想,推导了容量上界的理论表达式。此外,还分析了容量上、下界之间的误差。通过数值分析发现,所得容量上、下界非常紧,验证了所得理论表达式的准确性。第3章推导了多输入多输出可见光通信系统的容量界的理论表达式,并对接收机的位置进行了规划。本章假设收发端均具有完美的信道状态信息,通过对信道矩阵进行奇异值分解,将多输入多输出信道转换成相互独立的并行信道。在光强信号为非负、峰值光强有上限以及平均光强为定值的约束条件下,利用“熵幂不等式”和“变分法”等思想,推导了信道容量下界的理论表达式。基于容量下界表达式,给出了关于接收机位置摆放的最优化问题,并通过基于粒子群优化的迭代搜索算法对问题进行了求解。数值结果对所得容量界表达式和接收机的位置规划方案进行了验证。第4章对室内可见光通信系统的星座进行了设计。本章考虑一个点对点的室内可见光通信系统,噪声为独立于信号的高斯白噪声,调制方式采用脉冲幅度调制。在光信号具有非负约束、峰值光强约束和平均光强约束的条件下,基于两种常见的星座设计策略,提出了一种联合星座设计策略。在所提策略中,信号星座由星座点幅度、星座点概率和调制阶数三个参数决定。然后,给出了星座设计优化问题,并提出了改进的Blahut-Arimoto迭代算法。为了降低计算复杂度,还提出了低复杂度的次最优算法。数值结果对所提算法的性能进行了验证。第5章对室外可见光通信系统的星座进行了设计。在本章中,信道增益由大气衰减、大气湍流和指向误差综合确定,并且在信道相干时间内是一个常数。在信号的非负性、峰值光强和平均光强三个约束条件下,给出了可见光通信系统的信号空间。针对相干和非相干检测,给出了相应的距离准则。基于两种距离准则,给出了星座设计优化问题,并提出了一个基于内点法的迭代算法。为了评估系统性能,还推导了平均星座错误概率。数值结果对所提算法的性能进行了验证。
【关键词】：可见光通信 信道容量 星座设计 高斯噪声
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 缩略词15-16
• 符号说明16-18
• 第1章 绪论18-30
• 1.1 研究背景18-23
• 1.1.1 可见光通信的概念及系统结构18-19
• 1.1.2 可见光通信的优缺点19-21
• 1.1.3 可见光通信的研究现状21-23
• 1.2 前人工作综述23-26
• 1.2.1 关于容量分析相关工作的综述24-25
• 1.2.2 关于星座设计相关工作的综述25-26
• 1.3 论文工作对前人工作的改进点26-27
• 1.3.1 针对容量分析的改进点26
• 1.3.2 针对星座设计的改进点26-27
• 1.4 论文的结构安排和研究内容27-30
• 第2章 点对点可见光通信系统的容量分析30-48
• 2.1 引言30-31
• 2.2 系统模型31
• 2.3 信道容量分析31-43
• 2.3.1 容量下界分析32-34
• 2.3.2 容量上界分析34-40
• 2.3.3 参数δ的选取及误差分析40-43
• 2.4 数值结果43-47
• 2.5 结论47-48
• 第3章 MIMO可见光通信系统的容量分析及接收机位置规划48-68
• 3.1 引言48-49
• 3.2 系统模型49-51
• 3.2.1 接收信号模型49-50
• 3.2.2 信道增益50-51
• 3.2.3 信号约束51
• 3.3 MIMO VLC的容量下界分析51-57
• 3.3.1 MIMO系统的容量51-53
• 3.3.2 子信道的容量下界53-56
• 3.3.3 MIMO VLC的容量下界56-57
• 3.4 优化问题的提出与求解57-62
• 3.4.1 问题的提出57
• 3.4.2 问题的分析与转化57-60
• 3.4.3 问题的求解60-62
• 3.5 数值结果62-66
• 3.5.1 信道容量的相关结果62-64
• 3.5.2 接收机位置的相关结果64-66
• 3.6 结论66-68
• 第4章 室内可见光通信系统的星座设计68-86
• 4.1 引言68-69
• 4.2 系统模型69
• 4.3 优化问题的提出69-71
• 4.4 优化问题的求解71-82
• 4.4.1 两种常见的星座设计71-72
• 4.4.2 提出的联合星座设计72-78
• 4.4.3 优化算法的提出78-80
• 4.4.4 高信噪比下的低复杂度算法80-82
• 4.5 数值结果82-84
• 4.6 结论84-86
• 第5章 室外可见光通信系统的星座设计86-102
• 5.1 引言86-87
• 5.2 问题表述87-91
• 5.2.1 系统模型87
• 5.2.2 信道模型87-88
• 5.2.3 信号空间88-89
• 5.2.4 离准则89-91
• 5.2.5 问题描述91
• 5.3 问题求解91-93
• 5.4 平均星座错误概率分析93-96
• 5.4.1 相干检测时的ACEP分析93-94
• 5.4.2 非相干检测时的ACEP分析94-96
• 5.5 数值结果96-100
• 5.6 结论100-102
• 第6章 结论与展望102-104
• 6.1 全文总结102-103
• 6.2 后续工作展望103-104
• 参考文献104-112
• 博士期间发表的学术论文112-114
• 博士期间参与的项目及获得的科研奖励114-116
• 致谢116

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