可见光MIMO通信系统预编码技术研究

摘要

近年来，移动通信技术迅猛发展。第四代移动通信技术得到广泛应用，第五代移动通信技术即将实现商用，Wi-Fi信号覆盖大多数公共场所。但是这也带来了很多问题，例如电磁干扰严重、频谱资源紧张等。可见光通信得益于其与射频通信频段不冲突、频谱免许可、节能环保等多个优良特性，成为近年来的研究热点。本文主要针对可见光通信中的预编码技术展开研究，以最大化系统和速率为目标，对预编码矩阵进行优化。
　　首先，本文介绍可见光通信技术的基本原理，以典型的单入单出(Single Input Single Output，SISO)可见光通信系统为例，对系统模型、信道、模拟元器件等进行介绍。之后概述其扩展形式，多用户多输入单输出(Multiple Input Single Output，MISO)可见光通信系统以及多色可见光通信系统。考虑到可见光信道的低通特性，引入正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术，详述了其在可见光通信中的改进形式直流偏置光OFDM(Direct Current Biased OFDM，DCO-OFDM)。
　　随后，本文针对多用户MISO可见光通信系统中的迫零预编码优化进行深入研究。根据多用户MISO可见光通信系统模型，推导出下行和速率的下界，结合发光二极管(Light Emitting Diode，LED)对输入信号的限制，得到最大化和速率的优化问题;针对这一优化问题，首先利用凹凸过程(ConcaveConvex Procedure，CCCP)求解该非凸问题;然后，利用高信噪比近似将其进一步简化为凸问题;随后，讨论将预编码矩阵限定为信道伪逆形式对系统性能的影响;最后，通过仿真检验以上算法的性能。
　　然后，本文进一步考虑到迫零预编码存在功率损失，研究更为广义的线性预编码优化。首先，建立存在用户间干扰时的预编码矩阵优化问题;然后，为了求解该问题，对一些已有的数值算法，包括序贯参数凸近似（Sequential Parametric Convex Approximation，SPCA）、半定松弛(Semi-DefiniteRelaxation，SDR)、凹凸过程以及梯度投影法(Gradient Projection Method，GPM)进行改进以适应可见光通信的特性;最后，通过仿真检验上述算法的性能。
　　最后，本文讨论了多色DCO-OFDM可见光通信系统数字基带处理部分在现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)上的设计与实现方案。之后，给出了系统硬件实物与关键性能参数。在四色光通道传输下，借助预编码、子载波功率分配、信道时域平均以及低密度奇偶校验码(LowDensity Parity Code，LDPC)的纠错能力等，在3m的传输距离下，系统空口速率为1.0712 Gbps，误帧率低于10-6。

目录

声明

摘要

插图目录

表格目录

符号说明

缩略词

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 多天线技术在可见光通信中的应用

1．1．2 正交频分复用技术在可见光通信中的应用

1．1．3 多色可见光通信系统研究现状

1．2 硕士阶段工作和本论文内容安排

2．1 引言

2．2 可见光通信基本原理

2．2．1 系统模型

2．2．2 可见光信道

2．2．3 光电转换元件

2．2．4 信道容量

2．3 可见光通信多用户MISO系统简介

2．3．1 系统模型

2．3．2 信道模型

2．4 正交频分复用可见光通信系统简介

2．5 多色可见光通信系统简介

2．6 本章小结

第三章 可见光通信多用户MISO系统的迫零预编码优化

3．1 引言

3．2 最大化可达速率优化问题的提出

3．3 最大化可达速率优化问题的求解

3．3．1 基于凹凸过程的算法

3．3．2 基于高信噪比近似的简化算法

3．3．3 基于信道伪逆的算法

3．3．4 基于半定松弛的算法

3．4 仿真结果

3．5 本章小结

第四章 可见光通信多用户MISO系统的非迫零预编码优化

4．1 引言

4．2 最大化可达速率优化问题的提出

4．3 最大化可达速率优化问题的求解

4．3．1 基于序贯参数凸近似的算法

4．3．2 基于半定松弛与凹凸过程的算法

4．3．3 基于凹凸过程的算法

4．3．4 基于梯度投影的算法

4．4 仿真结果

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 演示平台概述

5．3 系统FPGA设计方案

5．3．1 发射端基带处理

5．3．2 接收端基带处理

5．4 演示平台展示

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 进一步的研究方向

参考文献

作者简介

致谢