室外可见光通信快速似然检测技术研究与应用

摘要

可见光通信（Visible Light Communication,VLC）有效缓解了无线电频谱紧张的矛盾，同时具有节能环保、安全健康和深度覆盖等优点。除了应用于室内高速通信，可见光通信也被广泛应用于汽车间通信、路灯与行人间通信、灯塔与船舶间通信等室外场景。室外可见光通信（Outdoor Visible Light Communication,OVLC）受大气湍流、吸收等因素影响，造成光强随机变化，严重影响其传输性能。本文重点研究室外可见光通信的信号设计与检测算法，主要研究内容和研究成果总结如下：
　　1.针对室外可见光通信信道大气环境复杂多变，影响因素众多，对光信号造成随机衰减的问题，提出了针对室外可见光通信的信道信号联合快速盲似然检测算法。分析了室外可见光通信大气信道的特点，介绍了不同湍流条件下的典型信道模型。利用可见光信道和信号的特点，提出了针对室外可见光通信的信道信号联合快速盲似然检测算法。该算法对信号的平方和函数进行搜索，把信号穷搜索问题转化为线性搜索问题，把联合检测算法的复杂度转化为对信号排序的复杂度。为进一步降低算法的复杂度，通过利用判决函数为凸函数的特性，提出了改进的联合盲似然检测算法，将搜索的复杂度降低了一半。为解决联合盲似然检测算法存在的错误平板效应问题，提出了添加单比特非零训练码元和序列编码等两种方法来消除平板的方法。仿真表明，联合快速盲似然检测算法在信道估计准确程度、检测性能方面均优于现有的均值算法，所提的两种方法均可以消除平板效应。
　　2.针对实际系统对数据实时处理和低复杂度的要求，研究了基于单比特训练的信号检测方法，提出了双门限的快速似然检测算法。建立了基于单比特训练的信号模型，分析系统模型中的噪声特性，给出了ZF-ZF和ZF-ML两种检测方法，分析了接收信号关于发送信号的条件概率密度函数，提出了双门限的快速最大似然检测方法。详细推导了基于重复编码的MISO系统采用ZF-ML检测器时的误码率解析式，证明了ZF-ML检测算法可以实现全分集。在光功率受限条件下，以误码率最小为准则，证明了误码率为训练码元功率与数据码元功率的凸函数，给出了训练码元和数据码元的最优功率分配方案；仿真表明，ZF-ML检测算法的性能优于ZF-ZF，且可以实现全分集，通过功率分配，信道的估计准确程度和系统的误码率得到了明显的提升。
　　3.设计并实现了50米10Mbps的室外可见光通信传输系统，验证了联合盲似然检测算法和单比特训练快速似然检测算法在不同的环境下均具有较好的检测性能。设计了室外可见光通信的系统结构、通道电路和光学前端。测量了LED的幅频特性，利用预均衡算法对LED的低通性能进行补偿，并在FPGA上进行了实现。在实际场景下，运用均值检测算法、联合盲似然检测算法和基于单比特训练的快速似然检测算法进行了测试和比较，验证了论文研究算法的有效性。

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符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究历史和现状

1.3 本文主要工作

第二章 室外可见光通信信道信号联合快速盲似然检测

2.1 引言

2.2 室外可见光信道的传输特性

2.3 室外可见光通信典型编码与检测方法

2.4 信道信号联合快速盲似然检测算法

2.5 本章小结

第三章 室外可见光通信单比特训练信号快速似然检测

3.1 引言

3.2 室外可见光单比特训练信号模型与快速似然检测

3.3 室外可见光信号ZF-ML性能分析与最优功率分配

3.4 数值仿真

3.5 本章小结

第四章 室外可见光通信传输系统设计与实现

4.1 引言

4.2 实验系统设计

4.3 实验系统算法

4.4 实验测试

4.5 本章小结

第五章 结束语

一、全文总结

二、展 望

致谢

参考文献

作者简历