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(shí)、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(zhǎng)以 及高性能移動(dòng)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(jī)”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(shì) 被廣泛認(rèn)為是一項(xiàng)具有潛力的、可與RF無線通信技術(shù)有力互補(bǔ)的新興技術(shù)。本論文依托于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(shí)現(xiàn)全

2、自動(dòng)化場(chǎng)景中有效三維可見光定位、如何實(shí)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(shí)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?jiǎng)?chuàng)新性工作總結(jié)如下 : 一、 基于VLC的定位技術(shù)研究針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代全自動(dòng)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(hào)的方法 , 選擇遠(yuǎn)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(jī) , 該選擇

3、過程可以 有效避免接收機(jī)視場(chǎng)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(shí)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(shí)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(duì)VLC系統(tǒng)有 限的線性動(dòng)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(duì)稱截?cái)喙?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(duì)稱截?cái)喙鈫屋d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(hào)峰均功率比 (Peak-to-average Power Ratio,PAPR), 其一維調(diào)制星座及簡(jiǎn)化編碼 可以極大地降低計(jì)算復(fù)雜度。通過仿真

5、驗(yàn)證，ACO-SCFD方案可以降 低對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器分辨率的要求，并提高對(duì)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(jí)聯(lián) One-tap 均衡和符號(hào)內(nèi)頻 域平均 (Intra-symbol Frequency-domain Averaging,ISFA) 信道平滑 方法, 可以實(shí)現(xiàn)有效的信道估計(jì)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(shì)。(2)基于離散傅 里葉變換 (Discrete Fourier Transform,DFT) 的實(shí)值間插SCFDM(Interleaved SCFDM,I-SCFDM)VLC方案，該方案采用基于 D

6、FT 擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)DCO-OFD信號(hào)PAPR勺降低，采用簡(jiǎn)化編碼實(shí)現(xiàn)低復(fù) 雜度信號(hào)的生成，且該方案繼承了 SCFD抗高頻失真的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)值I-SCFDM的低成本VLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(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(jí)聯(lián)頻 -時(shí) 域后均衡方法，可實(shí)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(duì)實(shí)際應(yīng)用中LED的照 明控制功能會(huì)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(duì)稱混合光 SCFDM(Asymmetrically Hybrid OpticalSCFDM,AHO-SCFDM調(diào)光VLC方案，該方案設(shè)計(jì)了上下兩層極性可調(diào) 的ACO-SCFD信號(hào)結(jié)構(gòu),可以更好地適應(yīng)LED有限的線性動(dòng)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(shí),AHO-SCFD方案繼承了 SCFD低PAPF和抗高頻失真的優(yōu)點(diǎn)，仿真 驗(yàn)證該方案在寬調(diào)光范圍下可實(shí)現(xiàn)高譜效的通信。在此基礎(chǔ)上 , 通過 進(jìn)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(shí)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(hào)幅度、層頻譜效率及信號(hào)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(hào)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)實(shí)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(shí)值I-SCFDM實(shí)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(diǎn)，保證所提方案在LED有限 動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)遭受較少的幅度截?cái)嗍д?, 并通過其抗高頻失真的優(yōu)勢(shì)進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)不同調(diào)光要求中需要聯(lián)合調(diào)節(jié) 信號(hào)幅度和偏置的復(fù)雜度問題 ;最終驗(yàn)證, 該方案在整個(gè)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