多光源可见光协同通信技术研究

• 作 者: 曾雨旻
• 出 处: 东南大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 凸优化 能量效率 多光源 预编码 可见光通信

可见光通信技术(Visible Light Communication,VLC)是具备照明和通信双重功能的新一代无线通信技术,具有安全、保密性高、无电磁干扰、成本低等优点,得到了各界的广泛关注。多光源可见光协同通信系统可以提供更高的传输速率和更好的通信质量,为通信和照明提供无处不在的覆盖,为满足用眼安全准则所需的照明强度控制提供更大的灵活度。本文围绕多光源可见光协同通信系统的均方误差、能量效率和可达速率等性能指标展开研究,考虑了多接收器和多用户等场景。首先,本文介绍了可见光通信系统的基本组成,包括发射机模型、接收机模型、信道模型和噪声模型。进一步地,以典型的单输入单输出可见光通信系统为例,对可见光通信系统的容量进行建模分析。之后,介绍了多光源可见光协同通信系统在多接收器的场景下系统模型,即多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)可见光通信系统。然后,本文研究了MIMO可见光通信系统的预编码和直流偏置联合优化问题。在多光源可见光协同通信系统中,光源通常是分布式分布并且有单独驱动电路,因此本文引入了多光源独立光功率约束。然后,本文在信号非负性约束和多光源独立光功率约束下,以最小化系统均方误差为目标构造了预编码和直流偏置联合优化问题。为了解决该问题,本文将非凸目标函数和非负性约束安全地转换为凸形式,进而将该问题转换为一个凸优化问题。进一步地,基于该设计方案,本文又设计了一种迭代算法来优化每个光源的光功率预算,进而给出了在多光源总光功率约束下的系统优化设计。最后,通过仿真验证了上述提出的优化设计的性能。之后,由于通信系统能源消耗问题得到越来越多的关注,本文也研究了MIMO可见光通信系统的能量效率。本文考虑了信号非负性约束、光功率约束、电功率约束、速率约束和误比特率约束,以最大化系统能效为目标联合优化系统的直流偏置、功率和速率。由于该问题具有多个优化变量,因此本文首先利用直流偏置、功率、速率、误比特率与传输符号的关系,将原多变量优化问题转换成一个单变量优化问题,然后提出了迭代算法得出了最优解。最后,仿真验证了本文提出的设计方案相对于频谱优化设计方案在能量效率上的优势。最后,本文研究了多光源多用户场景下可见光协同通信系统预编码设计。本文首先推导了多光源多用户VLC系统可达速率的下界,然后考虑光信号的非负性约束和多光源独立光功率约束,以最大化此下界为目标构造了一个优化问题。随后,本文将该复杂的非凸问题转换为凸问题,并设计了一种迭代算法得到了最优的预编码设计。最后,通过仿真验证了提出的算法的性能。