可见光通信的空间调光理论与技术研究

Achieving high speed communications is one of the most important research topics in visible light communications. Dimming control theorems and techniques are used to achieve high speed communications under the constraints of illuminations and the limitation of LEDs’ bandwidth. This project utilizes the natural advantages of visible light communications and proposes novel spatial dimming theorems and techniques. The proposed spatial dimming techniques achieve dimming control by employing spatial information processing, and data rate of the system is effectively improved when compared to conventional dimming control schemes. The project studies high speed dimming control theorems and techniques to solve the low data rate problem caused by optical power constraints. The project studies multi-lamp coordination based spatial dimming theorems and techniques to solve the insufficient data rate problem caused by uniform illumination constraints. The project studies user adaptive selection based spatial dimming theorems and techniques to mitigate the data rate damage induced by high correlation channels when intensive LEDs are employed. Based on these studies, the project evaluates the upper bound of the system performance and establish prototypes to investigate the actual performance of the system. The project explores the new dimming theorems and techniques based on spatial domain, which achieves higher speed under different illumination constraints and lays the foundation for applying visible light communications in smart homes and smart cities.

实现高通信速率是可见光通信的重要发展方向。商用LED带宽约束以及不同照明需求限制下实现高速的可见光通信属于调光理论与技术研究的范畴，也是可见光通信高速应用需要研究的重要问题。课题利用可见光通信天然的空域资源优势，开创性地提出空间调光的理论与方法，通过采用空间信息处理技术实现调光，有效提升系统通信速率。课题针对照明光功率限制下通信速率低下问题，研究高速空间调光理论与方法；针对照明均匀性限制下通信速率受限问题，研究多灯源协作调光理论与方法；针对照明LED密集部署下高信道相关性导致的通信速率损伤问题，研究基于自适应用户选择的空间调光理论与方法；在此基础上，评估通信速率等指标的理论上界，研究和搭建基于空间调光的原型系统并测试实际性能。课题探索利用空间维度设计调光的新理论和新方法，使得可见光通信系统在满足照明需求的前提下实现更高速的通信，为可见光通信在智能家居、智慧城市中的大规模应用奠定基础。

项目引入空间维度这一新的资源解决可见光通信系统中通信与照明功能相互约束的问题。项目围绕可见光通信系统中照明与通信功能相互约束的问题展开，从高速空间调光理论与方法、多灯源协作调光理论与方法研究、基于自适应用户选择的空间调光理论与方法等方面进行研究。研究成果体现在发表高水平学术论文30篇，其中在IEEE Transactions on Wireless Communication、IEEE Transactions on Communication等通信领域顶级期刊发表SCI检索论文15篇，EI检索论文13篇，中文核心期刊2篇，申请发明专利11项，已授权4项，以及培养博士硕士研究生20名等。.项目针对可见光通信系统光功率受限时通信速率低下的问题，研究新型高速空间调光理论与方法；针对照明均匀性限制下通信速率受限问题，研究新型多灯源协作调光理论与方法研究；针对照明LED密集部署下高信道相关性导致通信速率损伤问题，研究基于自适应用户选择的空间调光理论与方法；通过分析基于空间调光的可见光通信系统性能的理论上界，并借助实验平台验证系统的频谱效率、调光精度、调光范围和照明均匀性等通信与照明性能。.项目的研究巧妙地避开传统调光技术受LED动态范围影响较大的困难，在空间维度实现可见光系统光功率的调节，为在满足照明需求前提下实现高速通信开辟了一条新的途径。研究成果可应用于室内可见光通信及可见光定位系统中，同时对于提升未来无线移动网络系统容量具有指导意义。