[00115967]高效可见光通信技术研究与优化设计

课题来源与背景： “高效可见光通信技术研究与优化设计”来自山东省重点研发计划项目。随着对高质量多媒体服务需求的不断增加,人们对移动通信中的带宽需求愈发强烈,对于移动网络的性能要求越来越高。由于传统射频通信频谱资源日益紧张,拥有巨大的免费频谱资源,且与传统的射频无线通信相比,可见光通信（VLC）具有性价比高、抗电磁干扰、安全性高等优点。VLC是一种将光通信与无线通信相结合的前沿技术,以光波为载体来加载信号进行传播,可见光的波段属于380-780nm,可见光频谱的宽度是射频频谱的1万倍,VLC信的引入是对通信频谱的一次巨大的拓展。VLC一般采用比较常见的白光LED,利用LED的灯光承载高速明暗闪烁的信号来传送数据,VLC不仅实现了传统的LED照明工作,同时还提供了高速率的通信服务。VLC系统不可避免的会受到物体阻挡、严重信道衰落及阴影效应的影响,从而导致通信性能的明显下降。无线协作中继技术具有低成本、扩大覆盖范围的作用,可以有效提高通信系统的可靠性和传输速率。其原理是利用中继信道,通过分布式传输和信号处理构成虚拟的多输入多输出（MIMO）系统。我们将发挥中继协作技术优势,将其同VLC系统有机结合来解决VLC中光信号易衰减的问题,克服无线信道不利影响,提高传输可靠性和通信范围。 技术原理及性能指标： 针对目前VLC系统中存在的复杂度与传输性能间的问题,首先研究了基于传统时频空间等方式的高效VLC调制方案,进而设计给出其他新型高效调制方式,并给出准确且简化的解调检测算法,在提升信息速率的同时确保VLC系统性能。其次,为进一步提高VLC系统的传输可靠性和增加其有效通信范围,还将VLC系统与协作通信技术相结合并充分利用两者的优势,设计给出了对应的协作VLC系统,并针对其中协作模式、中继选择、功率分配、及高效调制传输方案等进行了优化设计。同时,还设计了低复杂度的信号解调检测算法,并采用新型数学理论对高效VLC系统的主要性能,如中断概率、误码率等性能进行了准确分析。 1)分析光在不同无线环境下,特别是室内环境下的传输衰减特性,根据衰减特性对各主要参数进行统计分析,并在此基础上参考Nakagami信道及SV信道建模等方案进行准确信道建模。 2)充分利用VLC的内在特点和优势,基于新型高效调制技术及中继协作通信技术,提供性能优异的新型VLC系统设计方案,并通过采用先进数学理论知识给出复杂信道条件下VLC系统的准确理论分析和优化设计方案,实现有效性及可靠性的综合提升。 3)项目研究中将开发研制相关VLC协作通信系统的试验测试平台,并提交重要专利及技术标准,促进VLC技术的实际应用,进而逐步产生显著经济和社会效益。 技术创造性和先进性 1)以提高VLC系统的传输速率、效率及通信性能为目标,该项目将基于正交互补码选择的新型调制方案设计思路及多信号维度空间调制设计原理,设计给出不同信道环境下VLC系统的高效调制映射方案设计,同时基于高效调制自身设计特点及相关解调算法,提供准确且低复杂度的解调检测算法。 2)以获得分集增益,提高VLC系统的传输可靠性及扩展覆盖范围为目标,该项目将基于中继协作技术,提出适合实际信道情况的协作方案优化设计准则,同时给出相应的VLC系统中协作中继选择、协作模式切换及功率分配的联合优化设计方案。 3)以VLC系统的传输效率、传输可靠性及系统能效等为优化目标,该项目将采用矩生成函数、凸优化理论及粒子群算法等数学理论知识,实现单目标及多目标函数的建模与优化,得到满足5G通信要求,更加高效可靠的VLC系统。 技术成熟程度,适用范围和安全性 本项目围绕可见光通信中的高效调制与协作传输技术进行了研究。（1）提出了相应的高效VLC空间调制传输方案及多流、多色度VLC调制方案,实现了系统性能和传输速率的综合提升;（2）提出了基于中继协作技术的VLC系统设计方案及其优化方案,针对不同信道环境,分析给出了协作VLC系统的优化传输模式,并分析讨论了相关优化设计准则;（3）针对高效VLC传输方案,研究设计了低复杂度接收检测算法,同时给出了系统的准确性能分析;（4）研究搭建了VLC实验平台以及基于中继协作方案的协作VLC实验平台。 本研究针对VLC系统所处的不同复杂通信环境下,结合高效调制技术和中继协作技术等对VLC系统进行联合优化设计,提供准确理论分析及不同目标性能下的优化设计方案,综合提高VLC系统的可靠性和有效性,为实际环境中VLC系统优化设计和应用提供重要理论依据,取得了一批相关研究成果,具有较好研究意义和实际价值。所提高效传输方案较现有方案可实现更高传速速率及可靠性,达到国际先进水平。 成果产出及人才培养 目前已在国内外重要期刊上发表SCI检索学术论文6篇（含JCR一区论文4篇） EI检索知名国际会议论文 9篇,申请国家发明专利 5项（含授权 2项）。培养博士生2名,硕士生5名。