摘要

随着第五代移动通信,5thGeneration(5G)系统的普及,无线数据流量需求呈指数级增长,传统射频通信负担严重,资源日益紧张,可见光通信就成为了近年来无线通信领域的研究热点。可见光通信,VisibleLightCommunication(VLC)技术以可见光作为信息载体,具有频谱资源丰富,无需授权,功耗低,安全性高等优势,因此在物联网、智能交通、水下通信等领域有广阔的应用前景。直流偏置光正交频分复用,DCbiasedOpticalOFDM,DCO-OFDM,作为可见光通信的一项关键技术,具有频谱效率高、高效实现快速傅里叶变换、实现简单、对码间干扰的鲁棒性强等优势,在可见光通信中得到了广泛的应用。基于直流偏置光正交频分复用技术,本文对可见光通信系统中的频谱效率和能量效率的优化进行了研究,并搭建了可见光通信实验平台,进行了可见光通信实验。全文贡献总结如下,

第一,针对直流偏置容易产生裁剪噪声造成信息丢失的问题,本文考虑在平均光功率和总传输功率约束下,不裁剪发射信号情况下最大化系统频谱效率和能量效率。首先研究了有限字符输入下的可见光通信系统的直流偏置和功率分配,提出利用双重注水法优化系统谱效,并通过Dinkelbach迭代算法优化系统能效,同时也研究了高斯输入情况下的系统谱效作为对比。进一步将调制阶数加入优化,提出了一种调制阶数与功率分配联合迭代的方法优化系统谱效和能效,对比最大化谱效和最大化能效两种策略下调制阶数、谱效和能效的差异,以实现绿色通信。

第二,设计了一套可以灵活选择调制阶数的基于直流偏置光正交频分复用技术的可见光通信系统的硬件实验方案,并搭建了一套室内可见光通信硬件实验平台,完善了系统硬件的关键算法,通过实验验证了所搭建的可见光通信系统。最终经过多次实验,选择出了此环境下最优的调制方案,在循环冗余校验,CyclicRedundancyCheck(CRC)下,基于激光二极管,LaserDiode(LD)的可见光通信系统在传输距离30cm时速率达4.28Gbps,并在国际误码标准下,即系统误码率低于3.8×10-3下,调整最优调制方案,系统速率可达5.49Gbps。

关键词,可见光通信,直流偏置光正交频分复用,功率分配,调制阶数,硬件实验平台

ABSTRACT

Withthepopularizationofthefifthgenerationmobilecommunication(5G)system,thedemandforwirelessdatatrafficisincreasingexponentially.TraditionalRFcommunicationisburdenedseverelyandresourcesarebecomingincreasinglyscarce.Visiblelightcommunicationhasbecomearesearchhotspotinthefieldofwirelesscommunicationinrecentyears.VisibleLightCommunication(VLC)technologyusesvisiblelightasaninformationcarrier,whichhastheadvantagesofrichspectrumresources,noauthorization,lowpowerconsumption,andhighsecurity.Therefore,ithasbroadapplicationprospectsinfieldssuchastheInternetofThings,intelligenttransportation,andunderwatercommunication.DCbiasedopticalOFDM(DCO-OFDM)asakeytechnologyinvisiblelightcommunication,hasadvantagessuchashighspectralefficiency,efficientimplementationoffastFouriertransform,simpleimplementation,andstrongrobustnesstointersymbolinterference.Ithasbeenwidelyusedinvisiblelightcommunication.BasedonDCbiasopticalorthogonalfrequencydivisionmultiplexingtechnology,thesisstudiestheoptimizationofspectralefficiencyandenergyefficiencyinvisiblelightcommunicationsystems,andbuildsavisiblelightcommunicationexperimentalplatformtoconductvisiblelightcommunicationexperiments.Thesummaryofthefulltext'scontributionsisasfollows:

Firstly,inresponsetotheproblemofinformationlosscausedbycroppingnoisecausedbyDCbias,thesisconsidersmaximizingthesystemspectralefficiencyandenergyefficiencywithoutcroppingthetransmissionsignalundertheconstraintsofaverageopticalpowerandtotaltransmissionpower.Firstly,theDCbiasandpowerallocationofvisiblelightcommunicationsystemsunderlimitedcharacterinputwerestudied.Adualwaterinjectionmethodwasproposedtooptimizesystemspectralefficiency,andtheDinkelbachiterativealgorithmwasusedtooptimizesystemenergyefficiency;Atthesametime,thesystemspectralefficiency under Gaussian input was also studied for comparison.Further incorporating modulation order into optimization, a joint iteration method of modulation order and power allocation is proposed to optimize system spectral efficiency and energy efficiency.The differences in modulation order, spectral efficiency,and energy efficiency under the two strategies of maximizing spectral efficiency and maximizing energy efficiency are compared to achieve green communication.

Secondly,a hardware experimental scheme for a visible light communication system based on DC bias optical orthogonal frequency division multiplexing technology with flexible modulation order selection was designed, and an indoor visible light communication hardware experimental platform was built to improve the key algorithms of the system hardware.The constructed visible light communication system was verified through experiments.After multiple experiments, the optimal modulation scheme in this environment was ultimately selected,under CRC,based on Laser Diode(LD),The visible light communication system of LD can achieve a speed rate of 4.28 Gbps at a transmission distance of 30 cm,and under international error rate standards, that is, the system error rate is below 3.8 × 10-3.By adjusting the optimal modulation scheme, the system speed can reach 5.49 Gbps.

Keywords:Visible Light Communication,DCO-OFDM,Power Allocation,Modulation Order,Hardware Experiment Platform

目 录

第一章绪论· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

1.1可见光通信的研究意义和应用场景· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

1.1.1研究意义· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

1.1.2应用场景· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·2

1.2可见光通信技术研究现状和发展趋势· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·3

1.2.1研究现状· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·3

1.2.2未来发展趋势· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·5

1.3论文主要研究工作及内容安排· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·6

1.3.1主要研究工作· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·6

1.3.2论文结构安排· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·6

第二章可见光通信理论及其关键技术· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·8

2.1 VLC系统综述· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·8

2.1.1可见光通信简介· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·8

2.1.2可见光通信系统架构· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·8

2.2 OFDM技术原理· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·12

2.2.1 OFDM技术概述· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·12

2.2.2 OFDM系统框架· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·14

2.2.3正交振幅键控· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·14

2.2.4 FFT/IFFT · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·15

2.3基于OFDM的VLC系统· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·16

2.3.1 DCO-OFDM特点介绍· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·16

2.3.2 DCO-OFDM系统框架· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·19

2.3.3 DCO-OFDM系统可达速率· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·20

2.3.4 DCO-OFDM系统可达速率下界· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·21

2.4本章小结· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·22

第三章基于DCO-OFDM的VLC系统优化· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·23

3.1 VLC系统频谱效率最大化· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·23

3.1.1有限字符输入下的频谱效率最大化· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·24

3.1.2高斯输入下的频谱效率最大化· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·29

3.1.3仿真结果分析· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·30

3.2 VLC系统能量效率最大化· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·35

3.2.1有限字符输入下的能量效率最大化· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·35

3.2.2仿真结果分析· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·38

3.3基于调制阶数的能量效率与频谱效率对比· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·39

3.3.1能量效率最大化· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·39

3.3.2频谱效率最大化· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·40

3.3.3仿真结果分析· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·41

3.4本章小结· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·42

第四章基于DCO-OFDM的VLC系统实验· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·44

4.1 VLC系统方案设计· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·44

4.2 VLC系统各器件介绍· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·47