當(dāng)前新興業(yè)務(wù)和無(wú)線設(shè)備數(shù)目的激增導(dǎo)致了無(wú)線流量特別是室內(nèi)流量需求的飛速增長(zhǎng),射頻頻譜資源緊缺的問(wèn)題正不斷凸顯。隨著發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)等新型照明技術(shù)的推廣,基于LED 的可見(jiàn)光通信(Visible Light Communication,VLC)技術(shù)為滿足室內(nèi)綠色照明和高速通信需求提供了新的途徑。然而,由于室內(nèi)用戶設(shè)備的日益增長(zhǎng),現(xiàn)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的可見(jiàn)光通信已經(jīng)難以滿足未來(lái)室內(nèi)多用戶高速通信的需求�？梢�(jiàn)光多用戶多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系統(tǒng)可以充分利用可見(jiàn)光信號(hào)下行廣播的特性,實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)傳輸�？紤]到照明是LED的基本功能,研究可見(jiàn)光多用戶MIMO系統(tǒng)調(diào)光技術(shù),對(duì)實(shí)現(xiàn)兼容照明的多用戶高速通信和推動(dòng)可見(jiàn)光多用戶MIMO系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。傳統(tǒng)可見(jiàn)光通信的調(diào)光技術(shù)利用不同的信號(hào)維度(幅度、占空比)來(lái)調(diào)節(jié)光功率。在可見(jiàn)光多用戶MIMO系統(tǒng)中,面臨著多用戶干擾(Multi-user Interference,MUI)、用戶信道相關(guān)性較高以及用戶信道狀態(tài)不一致的問(wèn)題。傳統(tǒng)調(diào)光由于可用來(lái)調(diào)節(jié)光功率的信號(hào)維度有限,面臨著犧牲用戶較大通信性能的問(wèn)題。事實(shí)上,在可見(jiàn)光多用戶MIMO系統(tǒng)中發(fā)送端的多個(gè)LED所帶來(lái)的信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)也是可被利用的重要資源。在傳統(tǒng)調(diào)光技術(shù)的基礎(chǔ)上,論文通過(guò)挖掘CSI信息所帶來(lái)的空間域資源,研究可見(jiàn)光多用戶MIMO系統(tǒng)中的空間調(diào)光技術(shù),可以有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效照明和多用戶高速通信的兼容。論文通過(guò)空間信息處理,充分挖掘可見(jiàn)光多用戶MIMO系統(tǒng)的CSI,研究了空間維度調(diào)光的新理論和新方法,有效避免傳統(tǒng)調(diào)光由于改變了信號(hào)幅度和占空比所帶來(lái)的通信性能損傷,使得提升用戶通信性能的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。具體研究?jī)?nèi)容如下:首先,為了解決MUI消除與調(diào)光的兼容問(wèn)題,研究基于用戶間干擾消除的空間調(diào)光技術(shù)。針對(duì)可見(jiàn)光多用戶多入單出(Multi-user Multiple Input Single Output,MU-MISO)系統(tǒng)分別提出了基于迫零預(yù)編碼的空間調(diào)光(Zero Forcing Precoding based Spatial Dimming,SD-ZF)和基于最小均方誤差預(yù)編碼的空間調(diào)光(Minimum Mean-Squared Error Precoding based Spatial Dimming,SD-MMSE)方案。SD-ZF和SD-MMSE直接改變工作LED的數(shù)目實(shí)現(xiàn)光功率調(diào)節(jié),能夠有效降低信號(hào)的削峰失真。同時(shí)通過(guò)發(fā)送天線選擇(Transmit Antenna Selection,TAS)來(lái)改善系統(tǒng)預(yù)編碼方案的性能。理論分析和仿真結(jié)果表明,SD-ZF和SD-MMSE方案相比于基于ZF預(yù)編碼的模擬調(diào)光(ZF Precoding based Analogue Dimming,AD-ZF)和基于MMSE預(yù)編碼的模擬調(diào)光(MMSE Precoding based Analogue Dimming,AD-MMSE)方案可以有效降低用戶削峰噪聲,并提升了系統(tǒng)的通信性能。在70%亮度、BER門限為10-3的條件下,SD-ZF相比于AD-ZF可以獲得4 dB左右的信噪比增益。其次,針對(duì)用戶信道相關(guān)性限制調(diào)光精度的問(wèn)題,研究基于用戶信道去相關(guān)的空間調(diào)光技術(shù)。在可見(jiàn)光多用戶多入多出(Multi-user Multiple Input Multiple Output,MU-MIMO)系統(tǒng)中提出了模擬—空間協(xié)同調(diào)光(Joint Analogue Spatial Dimming,JASD)方案。JASD聯(lián)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作LED數(shù)目和信號(hào)直流偏置,能夠在保障系統(tǒng)調(diào)光精度的前提下有效降低發(fā)送端的LED數(shù)目,從而改善用戶信道相關(guān)性。此外,JASD利用CSI采用基于最大化最小奇異值準(zhǔn)則的發(fā)送天線選擇(Maximized Minimum Singular Value based TAS,TAS-MMSV)算法來(lái)確定工作LED,有效改善用戶的信道增益。JASD相比于模擬調(diào)光(Analogue Dimming,AD)方案可以有效降低系統(tǒng)在低亮度條件下的削峰噪聲并提升用戶的通信性能。在80%亮度、BER門限為l0-3的條件下,JASD相比于AD可以實(shí)現(xiàn)13dB左右的信噪比增益。最后,針對(duì)用戶信道狀態(tài)不一致限制通信容量的問(wèn)題,研究基于用戶信道狀態(tài)自適應(yīng)的空間調(diào)光技術(shù)。在可見(jiàn)光MU-MIMO系統(tǒng)中通過(guò)用戶信道狀態(tài)自適應(yīng)的功率分配,提出了功率—模擬—空間協(xié)同調(diào)光(Joint Power Analogue Spatial Dimming,JPASD)方案。首先分析模擬—空間協(xié)同調(diào)光在不同亮度條件下的信號(hào)電功率并與模擬調(diào)光進(jìn)行比較,說(shuō)明由于模擬—空間維度的協(xié)同能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電信號(hào)功率,以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步聯(lián)合功率域提升用戶通信性能。接下來(lái),本文研究在不同亮度下如何自適應(yīng)用戶信道狀態(tài)的差異,在發(fā)送端利用CSI進(jìn)行用戶功率分配。為了提升用戶在不同亮度的通信容量,本文提出了用戶信道狀態(tài)自適應(yīng)的功率分配算法。理論和仿真結(jié)果表明,JPASD相比于功率均勻分配的方案能夠有效降低信道狀態(tài)不一致帶來(lái)的通信容量損失。同時(shí)相比于功率—模擬協(xié)同調(diào)光(Joint Power Analogue Dimming,JPAD)方案,JPASD在不同亮度下可以實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)電功率,從而顯著提升系統(tǒng)的通信容量。在80%亮度、系統(tǒng)容量門限為40bit/s/Hz的條件下,JPASD相比于JPAD、JASD和AD分別實(shí)現(xiàn)了3dB、5dB和7dB左右的信噪比增益。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.1
【部分圖文】：

。多地關(guān)注，目前已經(jīng)提出了利用改進(jìn)接收機(jī)提升移動(dòng)性［Ｉ４Ｇ，１４Ｕ以及相術(shù)［１４３］。??綜上可知，目前可見(jiàn)光通信己經(jīng)在諸多領(lǐng)域表現(xiàn)除了良好的應(yīng)用前景，階段而言，可見(jiàn)光通信仍主要應(yīng)用在室內(nèi)場(chǎng)景。同時(shí)物理層技術(shù)已經(jīng)速、穩(wěn)定的可見(jiàn)光通信鏈路，在此基礎(chǔ)上通過(guò)ＭＡＣ層技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)接入并通過(guò)小區(qū)優(yōu)化和協(xié)作提升系統(tǒng)的性能，這些內(nèi)容可為本文研究戶ＭＩＭＯ系統(tǒng)的通信與照明提供依據(jù)。??可見(jiàn)光多用戶ＭＩＭＯ??現(xiàn)有可見(jiàn)光通信技術(shù)的研宄主要針對(duì)單用戶場(chǎng)景，具有靜態(tài)、單向、點(diǎn)，目前的研宄成果已經(jīng)表明可見(jiàn)光通信技術(shù)的可行性和廣闊前景，可見(jiàn)光通信適用于更多的應(yīng)用場(chǎng)景，需要實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光通信節(jié)點(diǎn)的全使其能夠滿足多用戶接入和移動(dòng)通信的需求。為了解決這些實(shí)際問(wèn)題，用戶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化等問(wèn)題得到了越來(lái)越多的關(guān)注ｌｗ］。??

用戶設(shè)備進(jìn)行通信，因此單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的可見(jiàn)光多用戶ＭＩＭＯ系統(tǒng)得到了越來(lái)越??多的關(guān)注。多用戶ＭＩＭＯ指的是在多天線的終端之間進(jìn)行無(wú)線通信。相比于其??他多址接入方式，多用戶ＭＩＭＯ系統(tǒng)可以有效利用時(shí)、頻、空等資源，在魯棒??性和系統(tǒng)容量方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。在室內(nèi)照明中光源通常由多個(gè)ＬＥＤ構(gòu)成??且便于直接控制，研究基于可見(jiàn)光的多用戶系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它具有單用戶??ＭＩＭＯ系統(tǒng)分集或復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)，可以有效提升單個(gè)用戶通信速率；同時(shí)可以采用??空分復(fù)用的方式提升系統(tǒng)整體的通信容量。目前多用戶ＭＩＭＯ已經(jīng)在ＲＦ通信中??的ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄ、ＩＥＥＥ?８０２．１１ａｃ標(biāo)準(zhǔn)中得到應(yīng)用。在無(wú)線蜂窩網(wǎng)中多用戶ＭＩＭＯ??可以實(shí)現(xiàn)基站（Ｂａｓｅ?Ｓｔａｔｉｏｎ，ＢＳ）和用戶設(shè)備之間的上行或下行通信，其中基站??配備多天線的基站，根據(jù)接收端用戶配備單個(gè)或多個(gè)天線可以分為多用戶多入單??出（Ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｉｎｐｕｔ?Ｓｉｎｇｌｅ?Ｏｕｔｐｕｔ，?ＭＵ－ＭＩＳＯ）系統(tǒng)和多用戶多入多出??（Ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｉｎｐｕｔ?Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｏｕｔｐｕｔ，?ＭＵ－ＭＩＭＯ）系統(tǒng)［１４６］。根據(jù)信息論的??觀點(diǎn)，在配備集中式處理器的單個(gè)小區(qū)中，可以將上行和下行的多用戶ＭＩＭＯ??通信場(chǎng)景分別建模為多接入信道（Ｍｕｌｔｉ－ａｃｃｅｓｓ?Ｃｈａｎｎｅｌ，ＭＡＣ）和廣播信道??（Ｂｒｏａｄｃａｓｔ?Ｃｈａｎｎｅｌ，?ＢＣ）〇??

北京郵電大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文???．３可見(jiàn)光通信的調(diào)光技術(shù)??目前，大多數(shù)可見(jiàn)光通信技術(shù)研究的重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速通信，能??滿足可見(jiàn)光系統(tǒng)在通信方面的需求。然而用戶在照明方面的需求同樣作為可見(jiàn)??通信系統(tǒng)的重要內(nèi)容卻常常被忽略。通常，室內(nèi)環(huán)境的照明需求與應(yīng)用場(chǎng)景密??相關(guān)，例如日常人類在閱讀或?qū)懽鲿r(shí)需要的亮度約為３００１ＵＸ，而操作電腦時(shí)僅??需要３０１ｕｘ的亮度倘若能夠根據(jù)不同的應(yīng)用需求智能調(diào)節(jié)環(huán)境的亮度則能??節(jié)約大量的能量，同時(shí)有利于延長(zhǎng)燈源的使用壽命。然而可見(jiàn)光通信技術(shù)作為??種結(jié)合了照明的通信技術(shù)，其通信速率往往受限于照明需求的限制，如為滿足??同亮度的照明需求，必須研究相關(guān)的調(diào)光理論與技術(shù)來(lái)平衡照明與通信性能。??“??
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本文編號(hào)：2842824