可见光通信网络的信道容量和干扰管理机制的研究

摘要

可见光通信是5G 室内外绿色高速无线通信的潜在关键技术之一，在频谱资源、可控覆盖、保密传输和电磁兼容等许多方面具有优势。但是可见光通信网络基础理论尚存在许多亟待解决的公开问题，特别是信道容量和干扰管理机制仍是未知的。因为可见光通信的发射信号非负且幅度受限，所以香农公式等经典结论不能直接应用于可见光通信网络。同时由于缺少可达速率闭式表达式，作为提升网络容量关键技术的干扰管理机制目前也是未知的。因此，本文主要研究可见光通信点对点信道、广播信道和干扰信道的信道容量，以及广播信道和干扰信道的干扰管理问题，具体研究内容如下： 首先，针对单用户点对点信道，在峰值光功率约束、平均光功率约束和平均电功率约束下，本文基于熵功率不等式等理论推导出具有闭式表达式的信道容量上界与下界：ABG下界，并通过变分法求得ABG下界对应的连续输入分布：ABG分布。同时证明连续均匀分布和截断高斯分布为ABG分布的特例。数值仿真表明ABG下界能够逼近上界。 其次，针对广播信道，本文推导出相应的可达速率闭式表达式及信道容量区域的内界（广播信道ABG内界）与外界，并且ABG内界能够逼近外界。在此基础上，为了减少广播信道用户间干扰，进一步研究在传输速率约束和发射功率约束下的最优波束成形问题。核心方法是使用半正定松弛方法将该非凸二次约束二次规划问题转化为凸半正定规划问题，然后通过内点法和高斯随机化方法得到高质量次优解。数值仿真表明波束成形方案能够满足传输速率和发射功率的约束。 最后，针对干扰信道，本文推导出相应的可达速率闭式表达式及信道容量区域的内界（干扰信道ABG内界）与外界，并且ABG内界和外界能够逼近干扰信道容量。为了减少干扰信道小区间干扰，本文基于可达速率闭式表达式，研究在传输速率约束和发射功率约束下的最优联合波束成形问题，设计了集中式和分布式两种方案。在集中式波束成形方案中，本文利用半正定松弛方法求解该非凸二次约束二次规划问题，并证明松弛过程没有最优性损失。为了减少信息交互的网络开销，进一步使用交替方向乘子法将集中式波束成形方案等价转换为一种分布式协作波束成形方案。数值仿真显示两种波束成形方案能够达到传输速率和发射功率的要求。

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容和章节安排

2 可见光点对点信道可达速率闭式表达式

2.1 引言

2.3 可见光点对点信道容量下界

2.4 可见光点对点信道容量上界

2.5 仿真结果

2.6 本章小结

3 可见光广播信道可达速率域闭式表达式及波束成形

3.1 引言

3.2 可见光广播信道可达速率域

3.3 可见光广播信道波束成形

3.4 本章小结

4 可见光干扰信道可达速率域闭式表达式及干扰管理

4.1 引言

4.2 可见光干扰信道可达速率域

4.3 可见光干扰信道干扰管理

4.4 本章小结

5 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

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