基于mimo的vlc通信系統(tǒng)綜述

基于mimo的vlc通信系統(tǒng)綜述

0mimo系統(tǒng)的研究vlc（可見通信）技術(shù)已成為未來無線通信發(fā)展的研究領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)采用多個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),同時(shí)采用多個(gè)接收機(jī)接收數(shù)據(jù),可以提高信道的容量可靠性?；贛IMO技術(shù)的優(yōu)勢,MI-MO技術(shù)成為近年來的研究熱點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于射頻通信,如3G、4G無線通信等領(lǐng)域。但是,目前結(jié)合可見光和MIMO技術(shù)的綜合性研究比較少,還處于探索研究階段。與射頻系統(tǒng)相似,采用MIMO技術(shù)并行傳輸數(shù)據(jù)可以提高VLC的性能,如成倍地提高系統(tǒng)容量和可靠性,以及解決發(fā)射機(jī)和接收機(jī)對齊問題。國際上對光通信MI-MO系統(tǒng)的研究有MSD(多點(diǎn)漫射)-MIMO、像素化MIMO、非成像MIMO和成像MIMO系統(tǒng),而VLC系統(tǒng)的研究主要集中在成像MIMO系統(tǒng)。本文分析了光通信中MIMO建模和技術(shù),總結(jié)了各種MIMO模型的優(yōu)缺點(diǎn),可作為深入理解和進(jìn)一步研究可見光MIMO通信技術(shù)的基礎(chǔ)。1信號傳輸環(huán)境因素可見光MIMO通信系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)對原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)處理和編碼調(diào)制后,把電信號轉(zhuǎn)換成光信號,進(jìn)行傳輸。對于信道部分,由于信號從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的路徑不止一條,MIMO通信信道會受到多徑效應(yīng)和信道衰落的影響,多徑效應(yīng)會使系統(tǒng)產(chǎn)生碼間串?dāng)_,室內(nèi)光信道特性穩(wěn)定,而室外光信道容易受到環(huán)境的影響。接收機(jī)采用光電檢測器檢測信號,并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號,再利用信號處理技術(shù)恢復(fù)出原始信號。1.1msd-mi-系統(tǒng)多單元的了MSD-MIMO系統(tǒng)是一個(gè)混合的配置,它結(jié)合了漫射和視距鏈接的特性,以發(fā)揮它們的優(yōu)勢。文獻(xiàn)介紹了使用漫射傳輸配置的室內(nèi)無線光鏈接的MIMO特性,漫射光鏈接需要精確的信道模型,如圖2所示的MSD-MIMO鏈接阻塞模型。這種系統(tǒng)不需要發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的嚴(yán)格對齊,因此可以抵抗由于阻塞引起的鏈路損失。在MSD-MIMO配置中,發(fā)射器發(fā)射多個(gè)可以照亮小區(qū)域的窄波束,光信號被多單元方向分集接收器接收。若設(shè)計(jì)適當(dāng),MSD-MIMO鏈接實(shí)際上是不受多徑信號失真影響的,因?yàn)樾盘柟β实拇蟛糠滞ㄟ^單一路徑接收。由于MSD-MIMO鏈接是使用房間天花板或者墻面的漫射,所以要求的功率相對較高。關(guān)于MSD-MIMO系統(tǒng)中的接收器,設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確保較大的視場,同時(shí)維持高質(zhì)量的成像。在MSD-MI-MO系統(tǒng)中,總的接收器視場必須足夠大以覆蓋多個(gè)漫射點(diǎn),確保在部分漫射點(diǎn)阻塞的情況下,通信不中斷。另一方面,為了獲得更好的光噪聲抑制,接收器視場應(yīng)該盡可能窄,以允許使用較窄頻譜寬度的光濾波器。1.2無線紫外光系統(tǒng)模型P-MIMO(像素化MIMO)無線光信道,即點(diǎn)到點(diǎn)的MIMO光信道,使用二維光發(fā)射器陣列形成編碼成像序列來傳輸高速率數(shù)據(jù),圖像被成像檢測器檢測。二維光強(qiáng)度信道在許多應(yīng)用中存在,包括全息圖像存儲、面向頁的存儲器、光互連、二維條碼以及MIMO無線光鏈接等。圖3所示為P-MI-MO無線光通信系統(tǒng)模型圖。發(fā)射器是空間光調(diào)制器,它產(chǎn)生被電域?qū)ぶ房刂频妮敵龉鈴?qiáng)度空間分布。傳輸圖像幅度要受到以下限制:發(fā)射信號的光強(qiáng)度有非負(fù)限制;平均圖像幅度的上界受到平均光功率的限制。接收器定向捕獲發(fā)射器圖像,產(chǎn)生一個(gè)代表撞擊器件上光功率空間分布的輸出電信號,采用適當(dāng)?shù)溺R片在檢測器陣列表面形成聚焦的圖像。傳輸和檢測包含幾百萬像素的一系列圖像是一項(xiàng)很有前途的技術(shù),可以提供很高速率的短距離無線光鏈接。通過利用大量發(fā)射器和檢測器像素之間固有的空間自由度,像素化無線光信道可以實(shí)現(xiàn)頻譜效率增益。由于其非常高的頻譜效率,像素化無線光鏈接對于短距離室內(nèi)光通信是有前途的。像素化無線通信也可以應(yīng)用在VLC中。1.3nivlc-mimo系統(tǒng)NIVLC-MIMO系統(tǒng)的幾何形狀是基于文獻(xiàn)的。系統(tǒng)有NT個(gè)LED(發(fā)光二極管)發(fā)射器和NR個(gè)接收器。來自每一個(gè)LED陣列的光信號發(fā)送并行獨(dú)立的數(shù)據(jù)流,且都被獨(dú)立的接收器接收,但所接收的強(qiáng)度不同。獨(dú)立的數(shù)據(jù)流用MIMO信號處理技術(shù)獲取。圖4所示為4×4NIVLC-MIMO系統(tǒng)模型圖。NIVLC-MIMO系統(tǒng)的原理框圖如圖5所示。系統(tǒng)輸入是串行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流,它被轉(zhuǎn)換為大量的并行數(shù)據(jù)流,數(shù)目與發(fā)射器數(shù)目一致。光從每一個(gè)LED傳播到接收器,通常有兩種形式的傳播,每一個(gè)LED都由視距部分傳播到接收器,在空間也有來自表面反射傳播的漫射部分。1.4iiilc-mimo系統(tǒng)介紹由于使用非成像來設(shè)計(jì)光MIMO系統(tǒng)時(shí),在理論上得到的是對稱的信道矩陣H,而不是可逆的矩陣,這被認(rèn)為是不實(shí)際的,所以提出使用成像分集光MIMO系統(tǒng)。使用非成像單元來實(shí)現(xiàn)角度分集需要對每個(gè)接收單元采用分離的聚光器,非常笨重,成本也很高。使用成像棱鏡的角度分集接收機(jī)相比使用非成像有兩個(gè)好處:(1)所有的光電檢測器共享一個(gè)聚光器,減小了設(shè)計(jì)尺寸,降低了成本;(2)所有的光電檢測器可以放置在單個(gè)平面陣列上,有利于大量接收單元或者像素的使用。圖6所示為IVLC-MIMO系統(tǒng)模型圖。一個(gè)成像接收器在幾何空間受到限制時(shí),也能夠從空間任何位置的發(fā)光單元中完全解碼數(shù)據(jù)。成像接收機(jī)代替了非成像設(shè)備,保證H矩陣可逆。IVLC-MIMO系統(tǒng)的原理框圖如圖5中虛線框所示。檢測器陣列上的每個(gè)像素就是一個(gè)接收機(jī)信道,通過測量每個(gè)像素與每個(gè)LED陣列發(fā)射機(jī)之間光學(xué)連接特性的H矩陣(MIMO處理),接收到的信號能夠被分離開來。在接收到信號之后,矩陣H的逆矩陣與接收信號相乘,得到對發(fā)射信號的估測值。完成對發(fā)射信號估測之后,對信號進(jìn)行低通濾波和均衡處理。然后將數(shù)據(jù)流合并以產(chǎn)生單個(gè)的接收數(shù)據(jù)流,這個(gè)數(shù)據(jù)流用來與發(fā)送的數(shù)據(jù)流相比以獲得差錯(cuò)率。利用可見光LED進(jìn)行并行通信傳輸,速率達(dá)到Gbit/s量級是可行的,高數(shù)據(jù)速率通信采用的是MIMO-OFDM(正交頻分復(fù)用)。2iiilc-mi-多通道通信系統(tǒng)在理想情況下,能夠利用MSD系統(tǒng)來進(jìn)行VLC,但在實(shí)際中由于存在阻塞問題而導(dǎo)致接收機(jī)接收到的信號強(qiáng)度很弱,以致無法恢復(fù)出原始信號。MSD系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境需要發(fā)射機(jī)的功率足夠大。P-MIMO容易因遇到障礙物而使通信受阻,可以結(jié)合MSD系統(tǒng)來設(shè)計(jì)性能更可靠的系統(tǒng),該系統(tǒng)適用于圖像傳輸和圖像檢測。NIVLC-MIMO存在信道矩陣不是滿秩的問題,無法真正恢復(fù)出原始信號,因此不能夠?qū)嶋H應(yīng)用,進(jìn)而提出了IVLC-MI-MO,以解決信道矩陣不是滿秩的問題,同時(shí)降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。當(dāng)前的研究主要集