可见光定位与传输关键技术研究

【摘要】：随着虚拟现实、高清视频等内容丰富型应用业务的爆发式增长以及高性能移动设备、智能家居设备及可穿戴设备等的快速普及,基于射频(Radio Frequency,RF)的无线通信正面临日益严峻的“频谱资源危机”问题。近年来,可见光通信(Visible Light Communication,VLC)凭借其广阔的频谱资源、兼顾照明与通信、免受电磁干扰等显著优势被广泛认为是一项具有潜力的、可与RF无线通信技术有力互补的新兴技术。本论文依托于国家自然科学基金项目,从目前基于VLC的三大热门应用——可见光定位、数据传输及照明通信出发,分别就如何实现全自动化场景中有效三维可见光定位、如何实现低成本高速VLC调制均衡以及在兼顾照明的VLC系统中如何实现高频谱效率通信三大关键问题展开深入研究。本论文的主要创新性工作总结如下:一、基于VLC的定位技术研究针对物联网时代全自动化应用的定位需求,本论文提出一种基于分层三边定位和最优选择算法的三维可见光定位系统。该定位系统首先根据发光二极管(Light-emitting Diode,LED)空间布置特性和其位置信息缩小待定位设备所在的空间区域;其次,通过比较判断接收信号的方法,选择远离定位光源的光电二极管(Photodiode,PD)为后续定位过程的接收机,该选择过程可以有效避免接收机视场角(Field of View,FOV)限制所导致定位盲区的情况;最后,在缩减空间中联合实施基于分层三边定位和最优选择算法的定位过程,即可实现无定位盲区的高精度三维定位。二、基于正交频分复用(Orthogonal Frequency-division Multiplexing,OFDM)的VLC调制均衡研究为缓解日益增大的RF频谱压力,针对VLC系统有限的线性动态范围以及低通带宽限制,本论文就两种典型的OFDM方案——非对称截断光 OFDM(Asymmetrically Clipped Optical OFDM,ACO-OFDM)和直流偏置光OFDM(Direct Current Biased Optical OFDM,DCO-OFDM)分别提出:(1)基于离散哈特莱变换(Discrete Hartley Transform,DHT)的非对称截断光单载波频分复用(Asymmetrically Clipped Optical Single-Carrier Frequency-Division Multiplexing,ACO-SCFDM)VLC方案,该方案采用基于DHT扩展的方式降低ACO-OFDM信号峰均功率比(Peak-to-average Power Ratio,PAPR),其一维调制星座及简化编码可以极大地降低计算复杂度。通过仿真验证,ACO-SCFDM方案可以降低对数模转换器分辨率的要求,并提高对LED非线性转换特性的容忍度,证明了其成本有效性;接收端采用级联One-tap均衡和符号内频域平均(Intra-symbol Frequency-domain Averaging,ISFA)信道平滑方法,可以实现有效的信道估计与均衡。仿真结果表明所提方案相比于传统ACO-OFDM方案具有明显的性能及复杂度优势。(2)基于离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)的实值间插SCFDM(Interleaved SCFDM,I-SCFDM)VLC方案,该方案采用基于DFT扩展的方式实现DCO-OFDM信号PAPR的降低,采用简化编码实现低复杂度信号的生成,且该方案继承了SCFDM抗高频失真的优点,可以有效抵抗VLC低通带宽特性引入的失真。仿真结果表明在线性度及系统带宽受限的VLC系统中,该方案相比于DCO-OFDM方案具有显著的Q2优越性;此外,搭建基于实值I-SCFDM的低成本VLC实验平台(系统3-dB带宽仅为2.1 MHz),结果表明本方案采用低复杂度的级联频-时域后均衡方法,可实现100 Mb/s传输速率下传输2.1 m的自由空间距离。三、基于OFDM的高谱效调光VLC研究针对实际应用中LED的照明控制功能会恶化VLC系统频谱效率的问题,本论文就传统基于ACO-OFDM和DCO-OFDM调光VLC方案分别提出两类高频谱效率的通信方案:(1)基于非对称混合光 SCFDM(Asymmetrically Hybrid Optical SCFDM,AHO-SCFDM)的调光VLC方案,该方案设计了上下两层极性可调的ACO-SCFDM信号结构,可以更好地适应LED有限的线性动态范围,并且相比于ACO-OFDM方案,增加了所用的子载波资源;同时,AHO-SCFDM方案继承了SCFDM低PAPR和抗高频失真的优点,仿真验证该方案在宽调光范围下可实现高谱效的通信。在此基础上,通过进一步提高系统所使用的子载波数量,提出基于分层/提高的 ACO-SCFDM(Layered/Enhanced ACO-SCFDM,L/E-ACO-SCFDM)的调光VLC方案,实现基于多层ACO-SCFDM的调光方案,该方案通过联合优化层信号幅度、层频谱效率及信号偏置来获得最大系统可获得频谱效率,凭借低PAPR、抗高频失真及灵活信号结构的优势实现不同调光要求下的高频谱效率通信。(2)基于直流偏置光SCFDM(Direct Current Biased Optical SCFDM,DCO-SCFDM)的调光VLC方案,该方案采用具有低PAPR的实值I-SCFDM实现调光VLC,在保证DCO-OFDM高频谱效率的基础上,解决了DCO-OFDM高PAPR的缺点,保证所提方案在LED有限动态范围内遭受较少的幅度截断失真,并通过其抗高频失真的优势进一步提高在带宽受限的调光VLC系统中可获得频谱效率。在此基础上,提出基于空间域调光SCFDM(Space-domain Dimming Control SCFDM,SD-SCFDM)的VLC方案,该方案利用VLC的空间叠加特性引入空间调光因子,通过调节激活LED芯片数量实现不同亮度的调节,从而避免基于DCO-SCFDM调光方案在实现不同调光要求中需要联合调节信号幅度和偏置的复杂度问题;最终验证,该方案在整个调光范围内的可获得频谱效率高于基于DCO-OFDM空间域调光方案,而且大大降低了不同频谱效率下实现调光功能所要求的LED芯片数量。综上,本论文从可见光三维定位、基于OFDM的VLC调制均衡及基于OFDM的高谱效调光VLC三方面对VLC三大应用场景展开深入探讨与研究,本论文取得的研究成果为VLC在5G及未来B5G中的实际应用打下了坚实的基础。