可见光通信MIMO-OFDM关键技术研究

发布时间：2017-08-18 00:18

  本文关键词：可见光通信MIMO-OFDM关键技术研究

  更多相关文章： VLC MIMO 信道特性 功率分配 室内定位

【摘要】：可见光通信(VLC)技术作为一种新兴的通信手段,对实现“绿色通信融合发展”的通信目标有着不可替代的作用。VLC系统在室内传播时会经历丰富的多径效应,由此产生的码间干扰将会极大影响到系统性能。而且,还存在发光二极管(LED)芯片可调制带宽不足的问题。因此,正交频分复用(OFDM)的引入,不仅可以很好地解决多径效应的干扰,而且能提升频谱效率,保证通信质量。此外,OFDM还能提高可见光室内定位系统精度,减少定位均方根(RMS)误差范围。同时,人体阴影干扰一直是VLC系统重要的难点问题。采用多输入多输出(MIMO)方式的VLC系统具有大容量和高光照覆盖度的优点,可以有效解决阴影干扰问题并增强系统鲁棒性。因此基于MIMO-OFDM的VLC系统是实现大容量、高谱效、高抗扰的VLC关键技术及研究热点。本论文依托国家自然科学基金项目,围绕基于MIMO-OFDM的VLC系统的上述技术难点展开应用基础研究,主要创新点如下：(1)针对现有理论模型考虑可见光宽波段特性的问题,提出了一种基于多波段追踪法(MRT)的室内VLC信道模型,并对模型的准确性进行了测试验证。在此基础上利用该模型对LED芯片380nm到780nm的宽光谱信道特性进行了仿真研究。(2)针对现有理论模型较少考虑人体阴影对VLC信道影响的问题,提出了一种基于人体阴影追踪法(SRT)的室内VLC信道分析模型,并结合实验系统测试验证了模型的有效性。利用该模型,分析了视距(LOS)和非视距(NLOS)场景下人体阴影对室内VLC信道的干扰程度,并对人体阴影干扰下的可见光MIMO系统信道容量进行了仿真研究。(3)为了更高精度地实现室内VLC信道估计,提出了一种改进的可见光OFDM系统信道估计算法,即离散傅里叶变换-最小均方算法(DFT-LS),采用DFT后处理的方式,去除提取信道状态信息时信道最大时延外噪声的影响,提高信道估计的精度。仿真结果表明,当OFDM符号中导频间隔Nps=8, BER=10-2时,该算法比普通LS算法提高约1.5dB的信噪比(SNR)。(4)针对人体阴影对室内VLC的干扰问题,提出了一种最优LED选择联合功率分配(OLPA)算法。仿真结果表明,对于3×4的MIMO信道,采用OLPA算法后能提升信道容量约3bps/Hz。同时,在四象限正交幅度调制(4-QAM)调制格式下,采用OLPA算法比单独采用LED选择算法节省大约3dB的发送功率。(5)针对室内定位困难的问题,提出了一种基于ACO-OFDM导频信号的可见光定位方案。仿真对比了三种VLC定位方法的误差,分别是高速OFDM调制、高速开关键控(OOK)调制以及低速OOK调制。结果表明,基于ACO-OFDM导频信号的方案具备更好的定位性能。
【关键词】：VLC MIMO 信道特性 功率分配 室内定位
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 VLC的技术特点与应用场景11-13
• 1.1.1 VLC技术特点11-12
• 1.1.2 VLC应用场景12-13
• 1.2 VLC研究现状13-17
• 1.2.1 国外VLC研究现状13-16
• 1.2.2 国内可见光研究现状16-17
• 1.3 论文的研究意义和组织结构17-20
• 1.3.1 室内可见光MIMO-OFDM通信的研究意义17
• 1.3.2 论文结构和创新工作17-20
• 第二章 室内可见光多波段信道特性研究20-40
• 2.1 VLC室内信道分析的典型方法与问题20-21
• 2.2 基于MRT的室内VLC信道建模21-35
• 2.2.1 多波段VLC信道建模原理21-22
• 2.2.2 多波段VLC信道建模流程22-24
• 2.2.3 多波段室内VLC信道特性指标24-25
• 2.2.4 多波段室内VLC信道特性分析25-29
• 2.2.5 多波段室内VLC信道模型的实测验证29-35
• 2.3 VLC系统收发端相对角度对信道特性的影响35-36
• 2.4 接收机视场角对信道特性的影响36-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第三章 VLC室内MIMO信道研究40-65
• 3.1 MIMO应用于VLC的价值与意义40
• 3.2 室内可见光MIMO系统组成原理40-47
• 3.2.1 可见光MIMO系统光照分布41-43
• 3.2.2 可见光MIMO信道冲激响应43-44
• 3.2.3 可见光MIMO信道频域响应44
• 3.2.4 可见光MIMO信道容量44-47
• 3.3 室内可见光MIMO信道特性仿真47-52
• 3.4 基于SRT的可见光MIMO信道研究52-64
• 3.4.1 室内VLC-SRT算法原理52-54
• 3.4.2 室内VLC-SRT信道测量54-62
• 3.4.3 基于SRT分析人体阴影对VLC-MIMO信道的影响62-64
• 3.5 本章小结64-65
• 第四章 基于OFDM的VLC系统方案研究65-82
• 4.1 OFDM技术原理65-68
• 4.1.1 OFDM调制解调原理65-66
• 4.1.2 保护间隔和循环前缀66-67
• 4.1.3 OFDM技术的优缺点67-68
• 4.2 可见光OFDM系统方案设计68-78
• 4.2.1 VLC系统强度调制原理68-69
• 4.2.2 可见光OFDM信号格式69-72
• 4.2.3 可见光OFDM系统设计及仿真72-77
• 4.2.4 可见光OFDM系统实际应用中的问题77-78
• 4.3 基于FPGA的可见光OFDM调制技术实现78-81
• 4.3.1 基于FPGA的可见光OFDM系统发送机整体设计78-79
• 4.3.2 系统设计的软硬件平台79-80
• 4.3.3 系统实验与结果80-81
• 4.4 本章小结81-82
• 第五章 可见光MIMO-OFDM系统性能优化方案82-100
• 5.1 可见光OFDM信道估计和性能优化的必要性82
• 5.2 可见光OFDM信道均衡技术原理82-87
• 5.2.1 可见光OFDM系统导频结构83-85
• 5.2.2 可见光OFDM系统接收端获取导频信号方式85-86
• 5.2.3 可见光OFDM系统接收端对所有子信道的信道估计86-87
• 5.3 基于DFT-LS的可见光OFDM信道估计87-91
• 5.4 室内可见光MIMO-OFDM系统抗人体阴影技术91-99
• 5.4.1 基于MIMO-OFDM的VLC系统组成91-93
• 5.4.2 OLPA算法中LED选择方法93-94
• 5.4.3 OLPA算法中功率分配方法94-97
• 5.4.4 OLPA算法的有效性分析97-99
• 5.5 本章小结99-100
• 第六章 基于ACO-OFDM导频信号的可见光定位方案100-117
• 6.1 室内定位的意义和存在的问题100-101
• 6.2 室内可见光定位算法101-109
• 6.2.1 三边测量法102-106
• 6.2.2 场景分析法106-107
• 6.2.3 邻近算法107-108
• 6.2.4 定位技术的比较108-109
• 6.3 基于ACO-OFDM导频信号的室内可见光定位方案109-116
• 6.3.1 可见光定位系统组成结构109-111
• 6.3.2 基于ACO-OFDM导频信号的可见光定位方案111-112
• 6.3.3 定位方案性能分析112-116
• 6.4 本章小结116-117
• 第七章 总结与展望117-119
• 7.1 本论文工作的总结117
• 7.2 后续工作展望117-119
• 参考文献119-127
• 附录：缩略语127-131
• 致谢131-132
• 攻读博士期间的学术成果132

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