论文部分内容阅读
可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术因其绿色环保且不占用传统无线电频谱资源,近年来受到了中外学者的广泛研究和各国政府的大力支持。为了满足光线亮度的需求,室内照明通常由多个LED灯泡共同完成,同时每个LED灯泡内部还包含有多个灯芯,因此室内可见光通信系统是一种天然的多输入通信系统。对于单个LED灯芯带宽受限的可见光通信系统,MIMO(Multiple-input Multiple-output)是一种提升传输速率的有效方式。传统可见光MIMO技术,诸如重复编码(repetition coding,RC)、空间调制(spatial modulation,SM)、空间复用(spatial multiplexing,SMP),其传输符号都是由各个天线独立产生的,能量利用率较低。本文充分利用可见光通信空间资源丰富、信道信号非负等特点,设计了一种新颖的传输技术——空间关联星座(Space-Collaborative Constellation,CC),主要研究内容和成果总结如下:1.针对传统可见光MIMO技术能量利用率较低的问题,在给定传输速率的条件下以平均光功率最小为优化目标,建立了可见光MIMO星座的优化设计模型,并将其转化为最小欧氏距离最大化求解问题,提出并证明了最优空间关联星座的解析式。在最优空间关联星座的解析式的基础上,设计了2×2空间关联星座,性能分析对比表明,在不同的频谱效率下,相比于RC、SM、SMP,空间关联星座的平均光功率总是最小的。在定点信道和运动信道下的数值仿真表明:在不同的频谱效率和任何相关性信道下,CC误码性能总是优于SM、SMP;在低相关信道且高频谱效率下,CC误码性能也优于RC。同时,根据空间关联星座设计准则,依次构建了3×3、4×4空间关联星座,通过性能分析和数值仿真,论证了多维空间关联星座的优越性能。2.针对空间关联星座最大似然译码过程运算复杂度大的问题,结合其独特的三角形结构,设计了具有线性复杂度的快速检测算法,并在理论上证明了其性能等价于最大似然检测算法。基于空间关联星座的结构特点,首先对星座进行了虚拟扩展,在扩展后的方形星座上对接收端信号进行快速量化;针对量化后信号点所属的不同区域,设计了一种快速译码判决算法;证明了快速检测算法与传统最大似然检测算法在理论上的等价性。对比常规最大似然检测算法的运算复杂度,分析了快速最大似然检测算法的运算复杂度;数值仿真表明,快速最大似然检测算法的误码性能和传统最大似然检测算法完全相同。3.结合空间关联星座的结构和最大似然检测判决区域,对空间关联星座的性能进行了理论分析,得到了误符号率的通用解析式,并给出了基于部分旋转格雷码的空间关联星座比特映射方法。依据快速最大似然检测算法中星座点的划分区域以及不同类型星座的布局,对空间关联星座的传输性能进行了详细推导,得到了误符号率的一般表达式;对比空间关联星座和QAM(Quadrature Amplitude Modulation)星座的布局结构的异同,给出了基于部分旋转格雷码的空间关联星座比特映射方法。通过数值仿真,验证了理论推导误符号率表达式的正确性。