【摘 要】
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随着5G时代的到来,通信需求大幅提升,这对于通信网络的容量提出了更高的要求。由于目前主流无线通信网络所使用的射频频段已经被开发殆尽,需要寻找其他频段来满足未来高速发展的通信需求。可见光通信（Visible Light Communication,VLC）因为其载波频率极高而具有丰富的不受限制的频谱资源,可以有效地补充或者代替现有的无线通信接入网。正交频分复用（Orthogonal Frequenc
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随着5G时代的到来,通信需求大幅提升,这对于通信网络的容量提出了更高的要求。由于目前主流无线通信网络所使用的射频频段已经被开发殆尽,需要寻找其他频段来满足未来高速发展的通信需求。可见光通信（Visible Light Communication,VLC）因为其载波频率极高而具有丰富的不受限制的频谱资源,可以有效地补充或者代替现有的无线通信接入网。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术因为具有频谱利用率高、调制灵活的优点已被应用于可见光通信中。预编码OFDM在不需要信道条件的情况下,可以有效缓解VLC系统中器件带宽受限造成的影响,因此已经得到了广泛的关注。然而VLC仍面临着一些问题。首先,光源的功率受到限制,使得其通信覆盖范围非常有限;其次,受限于可见光波段的特性,VLC系统严重依赖视线链路,通信容易因被障碍物遮挡而中断。针对上述一系列问题,本文研究中继技术以提升OFDM可见光通信系统的性能和覆盖范围,针对在节点间实现全双工通信以及在一点到多点传输网络中提升远用户的性能两种应用场景开展如下研究:1.在第一种场景中,当距离较远或者链路中有遮挡的两个源节点利用中继节点实现相互通信时,传统时分复用的半双工模式限制了系统性能,我们使用基于放大转发的物理层网络编码（Physical-layer Network Coding,PNC）技术来减少信息交换需要的时隙,因此提升网络吞吐量。本论文着重分析和研究了更贴近实际应用场景的非对称双向中继网络,理论分析了PNC相比直接网络编码和传统中继模式的容量优势以及非对称网络和对称网络之间的容量差异。然后在2.16Gbit/s的VLC非对称中继网络实验中验证了PNC技术相比半双工方案显著提升了系统的性能。我们还在PNC中继系统中详细研究了传统OFDM和不同OFDM预编码技术的性能,以及峰均功率比、循环前缀长度、中继噪声等参数对系统性能的影响。结果表明正交循环变换预编码在此场景中具有最优的性能。此外,我们发现在信道非对称的PNC系统中,由于解码中残余干扰的影响,源节点均采用最大功率时会有一定的性能损失,因此并非是最优的方式。该研究为利用PNC技术提升全双工可见光系统的容量提供了实验数据支持。2.在第二种场景中,当一点向多点发送各自的数据而远用户由于距离较远或者有遮挡而性能较差时,我们提出采用基于OFDM-非正交多址（Non-orthogonal Multiple Access,NOMA）的中继协作通信技术。在此种情形下,发射端发送OFDM-NOMA信号给不同用户;近用户一方面接收自身的数据,另一方面利用NOMA信号的特性解调出远用户的信号,并作为中继将其传送至远用户来提升远节点的性能。此技术充分利用了近用户固有包含远用户信息的特点,从而将OFDM-NOMA和协作中继有机结合。我们首次在1.84Gbit/s的VLC实验中验证NOMA协作中继方案的性能优势,并详细研究了远用户接收机的最佳接受角度,明确了其最佳接收角度的选择方案。
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