非线性效应下的宽带多载波可见光传输理论与方法研究

Multicarrier technology has been widely used in high rate visible light communications(VLC) and has advantages including simplicity, efficiency, and flexibility. For VLC systems based on intensity modulation, the information is imposed on the intensity signal and transmitted via light-emitting diode (LED) devices. LED devices inherently have severe nonlinearity with memory effects, while intensity modulation also poses the requirement of signal non-negativity, which causes serious nonlinear distortion to the transmitted signal. The nonlinearity is exactly the performance bottleneck of broadband multicarrier VLC and poses significant challenges to the existing transceiver structures. To address the nonlinear issues arising in broadband VLC, this project aims to establish the effective nonlinear model, explore approaches to multicarrier signal shaping optimization, and exploit novel intelligent detection and decoding algorithms. Ultimately, this project strives to form the systematic design for broadband multicarrier VLCs adapted to complex nonlinearity and provides theoretical and technical support for future VLCs.

宽带多载波传输技术广泛应用于高速可见光通信中，具有实现简单、频谱效率高、资源分配灵活等优点。可见光通信采用强度调制，其发送信息加载在发光二极管（LED）发射的光强度信号上。然而，LED器件的饱和性、畸变性和记忆性等内在特征，以及强度调制信号的非负实数特性，造成了宽带可见光信号的严重非线性失真，极大地限制了宽带多载波可见光通信的传输有效性和系统可靠性，对现有的系统架构提出了挑战。针对宽带可见光系统所面临的非线性失真问题，本项目拟建立宽带信号非线性模型，探索多载波发送信号波形的优化方法，设计智能高效的接收检测译码算法，形成能适应非线性失真的宽带多载波可见光传输理论方法，为未来宽带可见光通信提供理论基础和技术支撑。

可见光通信拓展了新的通信频谱，是 6G重要的潜在关键技术。然而，可见光强度调制导致的信号非负性，器件线性度不足引起的畸变性，有限动态范围造成的饱和性，加之LED调制带宽所引入的记忆性特征，造成了宽带可见光系统中严重且复杂的非线性失真，极大地影响了宽带可见光通信的传输有效性和系统可靠性，是制约宽带高速可见光通信技术的关键瓶颈。. 本项目面向未来高速宽带可见光传输，围绕多载波可见光中凸显的非线性问题，建立非线性效应下的宽带可见光传输理论。基于研究内容，本项目得到了如下重要结果：.1）基于实测数据，探明影响多载波可见光传输的非线性失真，建立简洁有效的宽带非线性模型，揭示可见光系统的非线性机理，设计并实现了非线性补偿机制。.2）针对多载波可见光发送端，在兼顾照明需求的同时，研究了非线性影响的多载波波形优化方法，提升了非线性效应下的可见光传输有效性。.3）针对多载波可见光接收端，借助深度学习网络，研究受复杂非线性影响的多载波可见光检测译码算法，提高了非线性效应下的可见光通信可靠性。.4）针对实际中可见光接收机对齐问题，提出了大规模多色光滤波器组结构，联合优化了发送接收编码矩阵，增强了可见光通信在实际应用中的鲁棒性和稳健性。. 本项目针对可见光系统非线性效应，从非线性建模、收发算法设计、系统架构改进等方面出发，提出一系列可行有效的可见光通信设计方案，形成能适配非线性失真的宽带多载波可见光传输理论方法，为未来宽带可见光通信提供理论基础和技术支撑。