可见光通信中的多维高效传输理论与方法研究

This project studies efficient mutidimensional transmission theory and methods of visible light communications (VLC), which employs the LED lighting for illumination and communication simultaneously.VLC is an emerging wireless communication with a lot of advantages such as unlimited spectrum, engergy saving, no electromagnetic radiation, high security and low cost. Recent studies show that communication speed can be improved through employing the mutidimensional resouce including time, frquency, space and color domain in VLC systems. However, visible light communication is distinctive on modulation, channel characteristics and propagation environment compared with traditional RF wireless communications. Therefore, efficient use of multidimensional resources to achieve high-speed indoor visible light communication without affecting the lighting is the key scientific issues need to be addressed in this project... According to our research objectives and based on our previous research, we launched three major research studies. Our main research contents include: 1. Efficient multi-carrier transmission theory and techniques under nonlinear optical channel. 2. LED array based transmission theory and techniques 3. Multicolor multiplexing transmission theory and techniques. We hope that our work could mature the VLC theory and technologies and make it as an effective means of next generation wireless communication systems.

本项目研究使用LED可见光光源同时进行照明与无线信号传输的可见光通信系统中的多维高效传输理论和方法。可见光通信具有频谱不受限、绿色节能、无电磁辐射、保密性好、成本低等优点，是新兴的一种无线通信方式。研究表明可见光通信可以通过利用时、频、空、色多维资源提高通信速率。但是可见光通信在调制方式，信道特性和传播环境上和传统的射频无线通信有很大的区别。因此如何高效利用多维资源，在不影响照明的条件下实现室内高速可见光通信是本项目需要解决的关键科学问题。根据我们的研究目标，在前期研究的基础上，我们分三个主要研究方向展开研究。我们的主要研究内容包括：1. 非线性光信道下的高效多载波传输理论和技术；2.基于LED阵列的传输理论与技术；3.多色复用传输理论和技术。希望通过我们的研究推动可见光通信理论和技术的成熟，使得可见光通信成为下一代无线通信系统的有效手段。

本自然科学基金项目主要围绕可见光通信中的多维高效传输展开研究。课题组面向未来移动通信网络，根据项目申请书中拟定的内容分别针对非线性光信道下的高效多载波传输理论和技术、基于发光二极管阵列的传输理论与技术、多色复用传输理论和技术三大内容进行研究，取得了预期的成果。具体而言，课题首先针对非线性光信道下的正交频分复用传输进行了设计和优化，研究了采用非对称削波的光正交频分复用方案，仅需要若干步骤的线性计算和比较，就能够快速检测恢复出原始数据，大大降低了系统复杂度；并设计方案降低车载光正交频分复用传输中的峰均比，能够有效提升频谱效率，同时并不降低功率效率。其次，进行了室内可见光通信系统中发光二极管调光与多输入多输出收发机的联合优化，其易于实现且性能更优；同时对可见光通信中使用发光二极管阵列的空间合成脉冲幅度调制进行了研究，并推导了相应的错误概率性能；另外设计了发光二极管阵列辅助的室内三维定位方案，通过渐进分析得出定位误差随着墙体的反射系数线性增加。最后，研究了多色复用传输理论并设计了相应的高效传输方案，采用不同信道同时传输相同数据的不同部分，以获得由不同颜色光信号链路所构建的分集增益，进而有效提高误比特率性能。相关成果发表高水平学术论文数十篇，提交国际、国内专利申请十余项，获得多项国内及国际专利授权。项目开展过程中，培养硕士、博士研究生13名，2名博士生获得国家留学基金委资助赴美国著名高校联合培养。研究成果为未来可见光通信在空域、时域、频域、多色域等多个维度的高效传输提供技术支撑。