基于三维混合多址接入的多用户MIMO可见光通信系统研究

Multiple-input multiple-output (MIMO) technology is capable of efficiently improving the transmission rate of LEDs-based visible light communication (VLC) systems, and hence MIMO-VLC has attracted extensive attention by researchers at home and abroad in recent years. MIMO transmission introduces a new dimension (i.e., space dimension) for multi-user VLC systems and meanwhile brings new challenges. The existing multiple access schemes proposed for MIMO-VLC systems are mostly based on the classical schemes in conventional radio frequency communication systems, and the unique space-dimension characteristics of MIMO-VLC systems have not yet been exploited for the design of novel multiple access schemes. Our project takes the three available dimensions (i.e., frequency, power and space) of MIMO-VLC systems into consideration and proposes a novel hybrid three-dimensional multiple access (3DMA) scheme for MIMO-VLC systems. We first build a framework of the hybrid 3DMA-based multi-user MIMO-VLC system by considering its practical application scenarios and the corresponding requirements. Then, we focus on the investigation of two key techniques to implement the hybrid 3DMA scheme in multi-user MIMO-VLC systems, including user grouping and power allocation. The research results of this project will have a great significance on the theoretical study of multi-user MIMO-VLC systems and their practical application in scenarios such as 5G/6G communications and Internet of things (IoT) communications.

多输入多输出（MIMO）技术能够有效提高基于LED的可见光通信（VLC）系统的传输速率，近年来MIMO-VLC受到了国内外学者的广泛关注。MIMO传输给多用户VLC系统的多址接入方案设计引入了新的空间维度，同时也带来了新的挑战。现有研究工作所提MIMO-VLC系统的多址接入方案主要是借鉴传统射频无线通信系统中的经典方案，并没有根据MIMO-VLC系统的空间维度特性设计出有针对性的新型多址接入方案。本项目从MIMO-VLC系统的频率、功率和空间三个维度出发，提出一种新型的三维混合多址接入方案，针对MIMO-VLC系统的不同实际应用场景及相应需求，构建基于三维混合多址接入的多用户MIMO-VLC系统框架，并重点研究实现三维混合多址接入的用户分组和功率分配两项关键技术。本项目的研究成果将对多用户MIMO-VLC系统的理论研究以及其在5G/6G通信、物联网通信等具体场景的实际应用具有重要参考意义。

作为6G的潜在关键技术之一，基于LED的可见光通信（VLC）具有频谱资源丰富等诸多先天优势。然而，商用LED的调制带宽较小，实际VLC系统的可达传输速率严重受限。利用VLC系统的空间特性，搭建多输入多输出（MIMO）传输链路可以有效提高VLC系统频谱效率，从而在给定调制带宽上提升系统速率。实际MIMO-VLC系统通常需要同时服务多个用户，因此亟需重点研究MIMO-VLC系统中的用户多址接入问题。针对上述问题，本项目从MIMO-VLC系统的频率、功率和空间三个维度出发，提出了一种新型的三维混合多址接入（3DMA）方案。本项目的主要研究内容包括：1）基于3DMA的多用户MIMO-VLC系统框架；2）空间与频率域的二维用户分组；3）功率域的一维用户功率分配。本项目的研究成果包括：1）在系统框架方面，采用了三维极坐标系建立多用户信道模型，并构建了具有普适性的3DMA多用户MIMO-VLC系统框架；2）在用户分组方面，提出了两种分布式用户分组策略，包括基本分布式用户分组和发射分集增强分布式用户分组；3）在功率分配方面，提出了一种能够最大化系统速率的最佳用户功率分配方案。本项目的理论、仿真和实验结果表明：1）发射分集增强分布式用户分组策略能够取得额外分集增益，从而提升系统速率；2）最佳用户功率分配方案能够最大化系统速率，与传统用户功率分配方案相比，系统速率提升十分显著；3）3DMA方案可以取得比二维SDMA方案更高的系统速率，当发射信噪比为130dB时，系统速率提升可达32.8%；4）3DMA方案对误差传播具有较强鲁棒性，在严重误差传播情况下依然可以取得比SDMA方案更为优越的系统速率。本项目的研究结果证明所提3DMA方案能够克服传统OFDMA和SDMA方案的不足，提高系统的带宽利用率，从而显著提升系统速率，对促进MIMO传输在高速大容量VLC系统中的应用具有重要科学意义。