[00115967]高效可見光通信技術研究與優化設計

課題來源與背景： “高效可見光通信技術研究與優化設計”來自山東省重點研發計劃項目。隨著對高質量多媒體服務需求的不斷增加,人們對移動通信中的帶寬需求愈發強烈,對于移動網絡的性能要求越來越高。由于傳統射頻通信頻譜資源日益緊張,擁有巨大的免費頻譜資源,且與傳統的射頻無線通信相比,可見光通信（VLC）具有性價比高、抗電磁干擾、安全性高等優點。VLC是一種將光通信與無線通信相結合的前沿技術,以光波為載體來加載信號進行傳播,可見光的波段屬于380-780nm,可見光頻譜的寬度是射頻頻譜的1萬倍,VLC信的引入是對通信頻譜的一次巨大的拓展。VLC一般采用比較常見的白光LED,利用LED的燈光承載高速明暗閃爍的信號來傳送數據,VLC不僅實現了傳統的LED照明工作,同時還提供了高速率的通信服務。VLC系統不可避免的會受到物體阻擋、嚴重信道衰落及陰影效應的影響,從而導致通信性能的明顯下降。無線協作中繼技術具有低成本、擴大覆蓋范圍的作用,可以有效提高通信系統的可靠性和傳輸速率。其原理是利用中繼信道,通過分布式傳輸和信號處理構成虛擬的多輸入多輸出（MIMO）系統。我們將發揮中繼協作技術優勢,將其同VLC系統有機結合來解決VLC中光信號易衰減的問題,克服無線信道不利影響,提高傳輸可靠性和通信范圍。 技術原理及性能指標： 針對目前VLC系統中存在的復雜度與傳輸性能間的問題,首先研究了基于傳統時頻空間等方式的高效VLC調制方案,進而設計給出其他新型高效調制方式,并給出準確且簡化的解調檢測算法,在提升信息速率的同時確保VLC系統性能。其次,為進一步提高VLC系統的傳輸可靠性和增加其有效通信范圍,還將VLC系統與協作通信技術相結合并充分利用兩者的優勢,設計給出了對應的協作VLC系統,并針對其中協作模式、中繼選擇、功率分配、及高效調制傳輸方案等進行了優化設計。同時,還設計了低復雜度的信號解調檢測算法,并采用新型數學理論對高效VLC系統的主要性能,如中斷概率、誤碼率等性能進行了準確分析。 1)分析光在不同無線環境下,特別是室內環境下的傳輸衰減特性,根據衰減特性對各主要參數進行統計分析,并在此基礎上參考Nakagami信道及SV信道建模等方案進行準確信道建模。 2)充分利用VLC的內在特點和優勢,基于新型高效調制技術及中繼協作通信技術,提供性能優異的新型VLC系統設計方案,并通過采用先進數學理論知識給出復雜信道條件下VLC系統的準確理論分析和優化設計方案,實現有效性及可靠性的綜合提升。 3)項目研究中將開發研制相關VLC協作通信系統的試驗測試平臺,并提交重要專利及技術標準,促進VLC技術的實際應用,進而逐步產生顯著經濟和社會效益。 技術創造性和先進性 1)以提高VLC系統的傳輸速率、效率及通信性能為目標,該項目將基于正交互補碼選擇的新型調制方案設計思路及多信號維度空間調制設計原理,設計給出不同信道環境下VLC系統的高效調制映射方案設計,同時基于高效調制自身設計特點及相關解調算法,提供準確且低復雜度的解調檢測算法。 2)以獲得分集增益,提高VLC系統的傳輸可靠性及擴展覆蓋范圍為目標,該項目將基于中繼協作技術,提出適合實際信道情況的協作方案優化設計準則,同時給出相應的VLC系統中協作中繼選擇、協作模式切換及功率分配的聯合優化設計方案。 3)以VLC系統的傳輸效率、傳輸可靠性及系統能效等為優化目標,該項目將采用矩生成函數、凸優化理論及粒子群算法等數學理論知識,實現單目標及多目標函數的建模與優化,得到滿足5G通信要求,更加高效可靠的VLC系統。 技術成熟程度,適用范圍和安全性 本項目圍繞可見光通信中的高效調制與協作傳輸技術進行了研究。（1）提出了相應的高效VLC空間調制傳輸方案及多流、多色度VLC調制方案,實現了系統性能和傳輸速率的綜合提升;（2）提出了基于中繼協作技術的VLC系統設計方案及其優化方案,針對不同信道環境,分析給出了協作VLC系統的優化傳輸模式,并分析討論了相關優化設計準則;（3）針對高效VLC傳輸方案,研究設計了低復雜度接收檢測算法,同時給出了系統的準確性能分析;（4）研究搭建了VLC實驗平臺以及基于中繼協作方案的協作VLC實驗平臺。 本研究針對VLC系統所處的不同復雜通信環境下,結合高效調制技術和中繼協作技術等對VLC系統進行聯合優化設計,提供準確理論分析及不同目標性能下的優化設計方案,綜合提高VLC系統的可靠性和有效性,為實際環境中VLC系統優化設計和應用提供重要理論依據,取得了一批相關研究成果,具有較好研究意義和實際價值。所提高效傳輸方案較現有方案可實現更高傳速速率及可靠性,達到國際先進水平。 成果產出及人才培養 目前已在國內外重要期刊上發表SCI檢索學術論文6篇（含JCR一區論文4篇） EI檢索知名國際會議論文 9篇,申請國家發明專利 5項（含授權 2項）。培養博士生2名,碩士生5名。