發(fā)布時(shí)間：2020-03-18 02:17

【摘要】：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、高清視頻等內(nèi)容豐富型應(yīng)用業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長(zhǎng)以及高性能移動(dòng)設(shè)備、智能家居設(shè)備及可穿戴設(shè)備等的快速普及,基于射頻(Radio Frequency,RF)的無(wú)線通信正面臨日益嚴(yán)峻的“頻譜資源危機(jī)”問(wèn)題。近年來(lái),可見(jiàn)光通信(Visible Light Communication,VLC)憑借其廣闊的頻譜資源、兼顧照明與通信、免受電磁干擾等顯著優(yōu)勢(shì)被廣泛認(rèn)為是一項(xiàng)具有潛力的、可與RF無(wú)線通信技術(shù)有力互補(bǔ)的新興技術(shù)。本論文依托于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,從目前基于VLC的三大熱門(mén)應(yīng)用——可見(jiàn)光定位、數(shù)據(jù)傳輸及照明通信出發(fā),分別就如何實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化場(chǎng)景中有效三維可見(jiàn)光定位、如何實(shí)現(xiàn)低成本高速VLC調(diào)制均衡以及在兼顧照明的VLC系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)高頻譜效率通信三大關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)深入研究。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作總結(jié)如下:一、基于VLC的定位技術(shù)研究針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代全自動(dòng)化應(yīng)用的定位需求,本論文提出一種基于分層三邊定位和最優(yōu)選擇算法的三維可見(jiàn)光定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)首先根據(jù)發(fā)光二極管(Light-emitting Diode,LED)空間布置特性和其位置信息縮小待定位設(shè)備所在的空間區(qū)域;其次,通過(guò)比較判斷接收信號(hào)的方法,選擇遠(yuǎn)離定位光源的光電二極管(Photodiode,PD)為后續(xù)定位過(guò)程的接收機(jī),該選擇過(guò)程可以有效避免接收機(jī)視場(chǎng)角(Field of View,FOV)限制所導(dǎo)致定位盲區(qū)的情況;最后,在縮減空間中聯(lián)合實(shí)施基于分層三邊定位和最優(yōu)選擇算法的定位過(guò)程,即可實(shí)現(xiàn)無(wú)定位盲區(qū)的高精度三維定位。二、基于正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency-division Multiplexing,OFDM)的VLC調(diào)制均衡研究為緩解日益增大的RF頻譜壓力,針對(duì)VLC系統(tǒng)有限的線性動(dòng)態(tài)范圍以及低通帶寬限制,本論文就兩種典型的OFDM方案——非對(duì)稱截?cái)喙?OFDM(Asymmetrically Clipped Optical OFDM,ACO-OFDM)和直流偏置光OFDM(Direct Current Biased Optical OFDM,DCO-OFDM)分別提出:(1)基于離散哈特萊變換(Discrete Hartley Transform,DHT)的非對(duì)稱截?cái)喙鈫屋d波頻分復(fù)用(Asymmetrically Clipped Optical Single-Carrier Frequency-Division Multiplexing,ACO-SCFDM)VLC方案,該方案采用基于DHT擴(kuò)展的方式降低ACO-OFDM信號(hào)峰均功率比(Peak-to-average Power Ratio,PAPR),其一維調(diào)制星座及簡(jiǎn)化編碼可以極大地降低計(jì)算復(fù)雜度。通過(guò)仿真驗(yàn)證,ACO-SCFDM方案可以降低對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器分辨率的要求,并提高對(duì)LED非線性轉(zhuǎn)換特性的容忍度,證明了其成本有效性;接收端采用級(jí)聯(lián)One-tap均衡和符號(hào)內(nèi)頻域平均(Intra-symbol Frequency-domain Averaging,ISFA)信道平滑方法,可以實(shí)現(xiàn)有效的信道估計(jì)與均衡。仿真結(jié)果表明所提方案相比于傳統(tǒng)ACO-OFDM方案具有明顯的性能及復(fù)雜度優(yōu)勢(shì)。(2)基于離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)的實(shí)值間插SCFDM(Interleaved SCFDM,I-SCFDM)VLC方案,該方案采用基于DFT擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)DCO-OFDM信號(hào)PAPR的降低,采用簡(jiǎn)化編碼實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度信號(hào)的生成,且該方案繼承了SCFDM抗高頻失真的優(yōu)點(diǎn),可以有效抵抗VLC低通帶寬特性引入的失真。仿真結(jié)果表明在線性度及系統(tǒng)帶寬受限的VLC系統(tǒng)中,該方案相比于DCO-OFDM方案具有顯著的Q2優(yōu)越性;此外,搭建基于實(shí)值I-SCFDM的低成本VLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(系統(tǒng)3-dB帶寬僅為2.1 MHz),結(jié)果表明本方案采用低復(fù)雜度的級(jí)聯(lián)頻-時(shí)域后均衡方法,可實(shí)現(xiàn)100 Mb/s傳輸速率下傳輸2.1 m的自由空間距離。三、基于OFDM的高譜效調(diào)光VLC研究針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中LED的照明控制功能會(huì)惡化VLC系統(tǒng)頻譜效率的問(wèn)題,本論文就傳統(tǒng)基于ACO-OFDM和DCO-OFDM調(diào)光VLC方案分別提出兩類(lèi)高頻譜效率的通信方案:(1)基于非對(duì)稱混合光 SCFDM(Asymmetrically Hybrid Optical SCFDM,AHO-SCFDM)的調(diào)光VLC方案,該方案設(shè)計(jì)了上下兩層極性可調(diào)的ACO-SCFDM信號(hào)結(jié)構(gòu),可以更好地適應(yīng)LED有限的線性動(dòng)態(tài)范圍,并且相比于ACO-OFDM方案,增加了所用的子載波資源;同時(shí),AHO-SCFDM方案繼承了SCFDM低PAPR和抗高頻失真的優(yōu)點(diǎn),仿真驗(yàn)證該方案在寬調(diào)光范圍下可實(shí)現(xiàn)高譜效的通信。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)進(jìn)一步提高系統(tǒng)所使用的子載波數(shù)量,提出基于分層/提高的 ACO-SCFDM(Layered/Enhanced ACO-SCFDM,L/E-ACO-SCFDM)的調(diào)光VLC方案,實(shí)現(xiàn)基于多層ACO-SCFDM的調(diào)光方案,該方案通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化層信號(hào)幅度、層頻譜效率及信號(hào)偏置來(lái)獲得最大系統(tǒng)可獲得頻譜效率,憑借低PAPR、抗高頻失真及靈活信號(hào)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)不同調(diào)光要求下的高頻譜效率通信。(2)基于直流偏置光SCFDM(Direct Current Biased Optical SCFDM,DCO-SCFDM)的調(diào)光VLC方案,該方案采用具有低PAPR的實(shí)值I-SCFDM實(shí)現(xiàn)調(diào)光VLC,在保證DCO-OFDM高頻譜效率的基礎(chǔ)上,解決了DCO-OFDM高PAPR的缺點(diǎn),保證所提方案在LED有限動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)遭受較少的幅度截?cái)嗍д?并通過(guò)其抗高頻失真的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提高在帶寬受限的調(diào)光VLC系統(tǒng)中可獲得頻譜效率。在此基礎(chǔ)上,提出基于空間域調(diào)光SCFDM(Space-domain Dimming Control SCFDM,SD-SCFDM)的VLC方案,該方案利用VLC的空間疊加特性引入空間調(diào)光因子,通過(guò)調(diào)節(jié)激活LED芯片數(shù)量實(shí)現(xiàn)不同亮度的調(diào)節(jié),從而避免基于DCO-SCFDM調(diào)光方案在實(shí)現(xiàn)不同調(diào)光要求中需要聯(lián)合調(diào)節(jié)信號(hào)幅度和偏置的復(fù)雜度問(wèn)題;最終驗(yàn)證,該方案在整個(gè)調(diào)光范圍內(nèi)的可獲得頻譜效率高于基于DCO-OFDM空間域調(diào)光方案,而且大大降低了不同頻譜效率下實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能所要求的LED芯片數(shù)量。綜上,本論文從可見(jiàn)光三維定位、基于OFDM的VLC調(diào)制均衡及基于OFDM的高譜效調(diào)光VLC三方面對(duì)VLC三大應(yīng)用場(chǎng)景展開(kāi)深入探討與研究,本論文取得的研究成果為VLC在5G及未來(lái)B5G中的實(shí)際應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【圖文】：

全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量正以４６％的年復(fù)合增長(zhǎng)率（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ邋Ａｎｎｕａｌ邋Ｇｒｏｗｔｈ逡逑Ｒａｔｅ，邋ＣＡＧＲ）快速增長(zhǎng)，到２０２２年全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將達(dá)到每月７７．５艾字節(jié)，逡逑來(lái)自無(wú)線和移動(dòng)設(shè)備的流量將達(dá)到全球總ＩＰ流量的７１％，如圖１－１所示。面對(duì)逡逑日益增長(zhǎng)的流量需求，目前基于射頻（Ｒａｄｉｏ邋Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，邋ＲＦ）的無(wú)線通信正面臨逡逑越來(lái)越緊迫的流量壓力［５＿９］。逡逑Ｍｏｂｉｌｅ邋（４６％邋ＣＡＧＲ）逡逑？邋Ｆｉｘｅｄ邋Ｗｉ－Ｆｉ邋ｆｒｏｍ邋Ｗｉ－Ｆｉ－Ｏｎｌｙ邋Ｄｅｖｉｃｅｓ邋（１８％邋ＣＡＧＲ）邋７７．５逡逑＂Ｓ邋＾邐ｓ邋Ｆｉｘｅｄ＊Ｗｉ－Ｆｉ邋ｆｒｏｍ邋Ｍｏｂｉｌｅ邋Ｄｅｖｉｃｅｓ邋（５３％邋ＣＡＧＩ＾逡逑Ｃ邋３００邐■邋Ｆｉｘｅｄ／Ｗｉｒｅｄ邋（１５％邋ＣＡＧＲ）邐｜逡逑Ｉ邋２５０邐，邐｜邐一７１％逡逑Ｓ邋２００邐ｆｌ邋１１邐，邋ｍｌ逡逑ｉ１５°邋？邋＾邋Ｉ邋Ｊ邋■邋ＪＪ逡逑ａ’邋ｉ邋ｉ邐Ｉ邐＂Ｉ，逡逑２０１７邐２０１８邐２０１９邐２０２０邐２０２１邐２０２２逡逑圖１－１思科預(yù)測(cè)２０１７年到２０２２年全球］Ｐ流量的增長(zhǎng)趨勢(shì)圖［４】逡逑基于ＲＦ的無(wú)線通信技術(shù)覆蓋廣泛的業(yè)務(wù)應(yīng)用，如調(diào)幅／頻無(wú)線電廣播、電視、逡逑蜂窩電話、導(dǎo)航、雷達(dá)及衛(wèi)星通信等［１Ｑ］。圖１－２所示為電磁波頻譜分布及應(yīng)用示逡逑意圖［１１］。隨著業(yè)務(wù)流量需求的快速上升，基于ＲＦ的無(wú)線通信正面臨日益嚴(yán)重的逡逑“頻譜資源危機(jī)”問(wèn)題。近年來(lái)，為了緩解ＲＦ頻譜資源緊張的問(wèn)題，大規(guī)模天逡逑線陣列、新型多址技術(shù)、超密集組網(wǎng)及認(rèn)知無(wú)線電等無(wú)線關(guān)鍵技術(shù)成為研究熱點(diǎn)逡逑［９］。然而

可見(jiàn)光通信（Ｖｉｓｉｂｌｅ邋Ｌｉｇｈｔ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，邋ＶＬＣ）是一種使用波長(zhǎng)為３８０逡逑ｎｍ？７８０邋ｎｍ的可見(jiàn)光電磁波段進(jìn)行通信的無(wú)線通信技術(shù)，其擁有近４００邋ＴＨｚ的逡逑廣闊頻譜資源，為解決目前ＲＦ邋“頻譜資源危機(jī)”問(wèn)題提供了一條廣闊的途徑［ｎ＿逡逑１３］。早期的ＶＬＣ研宄工作可追溯到十九世紀(jì)八十年代貝爾發(fā)明光子電話，該研逡逑究成功實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)到光信號(hào)的調(diào)制，并在接收端使用電子檢測(cè)管成功實(shí)現(xiàn)光信逡逑號(hào)的解調(diào)，雖然不同于現(xiàn)在意義的ＶＬＣ，但是其為后續(xù)ＶＬＣ的發(fā)展指明了方向逡逑［１４’１５］。在二十世紀(jì)七十年代，，美國(guó)學(xué)者ＭａｒｔｉｎＲＤａｃｈｓ首次提出“兼顧照明和信逡逑息傳輸功能的ＶＬＣ”的概念［１６］；并在后續(xù)幾十年的研究中，眾多研究者們實(shí)現(xiàn)逡逑了使用日光燈或者白熾燈的ＶＬＣ系統(tǒng)，其電子燈鎮(zhèn)流器采用脈沖－頻率調(diào)制等方逡逑案或者特殊的電路設(shè)計(jì)以確保沒(méi)有可察覺(jué)的燈光閃爍［１７］。由于日光燈和白熾燈的逡逑光源特性并不穩(wěn)定，基于這兩類(lèi)燈的ＶＬＣ并沒(méi)有得到廣泛深入地研究與推廣。逡逑直到二十世紀(jì)九十年代末，基于半導(dǎo)體材料的發(fā)光二極管（Ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ逡逑Ｄｉｏｄｅ，邋ＬＥＤ）成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化才徹底打破了邋ＶＬＣ研究發(fā)展的桎梏，至此，推開(kāi)逡逑了基于ＬＥＤ邋ＶＬＣ研究的大門(mén)。采用半導(dǎo)體材料的ＬＥＤ具有眾多優(yōu)良特性［１８＿２１］：逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN929.1

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1 謝R菸

本文編號(hào)：2588061