可見光定位與傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究

1、可見光定位與傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究隨著虛擬現(xiàn)實、高清視頻等內(nèi)容豐富型應(yīng)用業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長以 及高性能移動設(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) 的無線通信正面臨日益嚴(yán)峻的“頻譜資源 危機”問題。近年來 , 可見光通信 (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 被廣泛認為是一項具有潛力的、可與RF無線通信技術(shù)有力互補的新興技術(shù)。本論文依托于國家自然科學(xué)基金項目，從目前基于VLC的三 大熱門應(yīng)用可見光定位、數(shù)據(jù)傳輸及照明通信出發(fā) , 分別就如何 實現(xiàn)全

2、自動化場景中有效三維可見光定位、如何實現(xiàn)低成本高速 VLC 調(diào)制均衡以及在兼顧照明的 VLC系統(tǒng)中如何實現(xiàn)高頻譜效率通信三 大關(guān)鍵問題展開深入研究。本論文的主要創(chuàng)新性工作總結(jié)如下 : 一、 基于VLC的定位技術(shù)研究針對物聯(lián)網(wǎng)時代全自動化應(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, 通過比較判斷接收信號的方法 , 選擇遠離定位光源的光電 二極管 (Photodiode,PD) 為后續(xù)定位過程的接收機 , 該選擇

3、過程可以 有效避免接收機視場角 (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)合實施基于分層三邊定位和最優(yōu)選擇算 法的定位過程 ,即可實現(xiàn)無定位盲區(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VLC系統(tǒng)有 限的線性動態(tài)范圍以及低通帶寬限制，本論文就兩種典型的OFDM方 案非對稱截斷光 OFDM(Asymmetrically Clipped Optical OFDM,ACO-OFD和直流偏置光 OFDM

4、(Direct Current Biased Optical OFDMQCO-OFDM別提出:(1)基于離散哈特萊變換(Discrete Hartley Transform,DHT) 的非對稱截斷光單載波頻分復(fù)用 (Asymmetrically Clipped Optical Single-CarrierFrequency-Division Multiplexing,ACO-SCFDM)VLC方案, 該方案采用基于DHTT展的方式降低ACO-OFD信號峰均功率比 (Peak-to-average Power Ratio,PAPR), 其一維調(diào)制星座及簡化編碼 可以極大地降低計算復(fù)雜度。通過仿真

5、驗證，ACO-SCFD方案可以降 低對數(shù)模轉(zhuǎn)換器分辨率的要求，并提高對LED非線性轉(zhuǎn)換特性的容忍 度, 證明了其成本有效性 ;接收端采用級聯(lián) One-tap 均衡和符號內(nèi)頻 域平均 (Intra-symbol Frequency-domain Averaging,ISFA) 信道平滑 方法, 可以實現(xiàn)有效的信道估計與均衡。仿真結(jié)果表明所提方案相比 于傳統(tǒng)ACO-OFD方案具有明顯的性能及復(fù)雜度優(yōu)勢。(2)基于離散傅 里葉變換 (Discrete Fourier Transform,DFT) 的實值間插SCFDM(Interleaved SCFDM,I-SCFDM)VLC方案，該方案采用基于 D

6、FT 擴展的方式實現(xiàn)DCO-OFD信號PAPR勺降低，采用簡化編碼實現(xiàn)低復(fù) 雜度信號的生成，且該方案繼承了 SCFD抗高頻失真的優(yōu)點，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-OFD方案具有顯著的Q2 優(yōu)越性；此外，搭建基于實值I-SCFDM的低成本VLC實驗平臺(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)雜度的級聯(lián)頻 -時 域后均衡方法，可實現(xiàn)100 Mb/s傳輸速率下傳輸2.1 m的自由空間距 離。三、基于OFD啲高譜效調(diào)光VLC研究針對實際應(yīng)用中LED的照 明控制功能會惡化VLC系統(tǒng)頻譜效率

7、的問題，本論文就傳統(tǒng)基于ACO-OFD和DCO-OFD調(diào)光VLC方案分別提出兩類高頻譜效率的通信方案:(1) 基于非對稱混合光 SCFDM(Asymmetrically Hybrid OpticalSCFDM,AHO-SCFDM調(diào)光VLC方案，該方案設(shè)計了上下兩層極性可調(diào) 的ACO-SCFD信號結(jié)構(gòu),可以更好地適應(yīng)LED有限的線性動態(tài)范圍， 并且相比于ACO-OFD方案,增加了所用的子載波資源；同時,AHO-SCFD方案繼承了 SCFD低PAPF和抗高頻失真的優(yōu)點，仿真 驗證該方案在寬調(diào)光范圍下可實現(xiàn)高譜效的通信。在此基礎(chǔ)上 , 通過 進一步提高系統(tǒng)所使用的子載波數(shù)量 , 提出基于分層 /提高

8、的ACO-SCFDM(Layered/E nhan ced ACO-SCFDM,L/E-ACO-SCFD調(diào)光VLC方案，實現(xiàn)基于多層ACO-SCFD的調(diào)光方案，該方案通過聯(lián)合優(yōu)化層信號幅度、層頻譜效率及信號偏置來獲得最大系統(tǒng)可獲得頻譜效率 憑借低PAPR抗高頻失真及靈活信號結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢實現(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 CurrentBiased Optical SCFDMQCO-SCFDM調(diào)光VLC方案，該方案采用具有 低PAPR勺實值I-SCFDM實現(xiàn)調(diào)光VLC,在保證DCO-OFD高頻譜效率 的基礎(chǔ)上，解決了 DCO-OFD高 PAPR勺缺點，保證所提方案在LED有限 動態(tài)范圍內(nèi)遭受較少的幅度截斷失真 , 并通過其抗高頻失真的優(yōu)勢進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-SCFD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，通過調(diào)節(jié)激活LED芯片數(shù)量實現(xiàn)不同亮度的調(diào)節(jié)，從而 避免基于DCO-SCFD調(diào)光方案在實現(xiàn)不同調(diào)光要求中需要聯(lián)合調(diào)節(jié) 信號幅度和偏置的復(fù)雜度問題 ;最終驗證, 該方案在整個調(diào)光范圍內(nèi) 的可獲得頻譜效率高于基于DCO-OFD空間域調(diào)光方案