基于空间调制的室内可见光通信理论与技术研究

Visible light communications (VLC) is one of the greatest promising directions for future high speed wireless transmissions in indoor environments. Limited by the modulation bandwidth of lighting devices, it is very difficult to use a single light source to implement the Giga-bits-per-second high speed transmissions over a distance of several meters. It is hopeful to exploit multiple lighting sources to realize the high speed transmissions for indoor VLC. Up to now, there is still no systemic research in this direction...Motivated by our many years' related research, this project will systematically investigate the three key problems, including channel estimation, antenna selection and data detection, for implementing the spatial modulation in indoor VLC with multiple lighting sources. These techniques will be investigated jointly by theoretical analysis, computer simulation and experimental verification. Meanwhile, typical indoor illumination environments will be considered as the application scenarios...According to the features of indoor illumination environment, this project will model the channel for the scenario of multiple light sources. After analyzing and obtaining the key time-varying channel parameters, this project will design the training sequences and channel estimation schemes with low Cramer-Rao bounds. Using the estimated channel information, the signal space of spatial modulation will be analyzed and the link transmission will optimized by the adaptive antenna selection algorithms. Considering the impacts from the errors on channel estimation and timing synchronization, low-complexity and high-performance data detection algorithms will be proposed by using the robust optimization theory. A test bed will be developed to verify the research achievements in this project.

可见光通信是未来室内高速无线传输最具前景的方向之一。受发光器件调制带宽的限制，目前单个照明光源很难实现几米传输距离上吉比特速率的高速传输。利用多个照明光源有希望实现室内可见光通信的高速传输。迄今，该研究方向还未得到系统地研究。..本项目将在多年相关研究的基础上，以典型室内照明环境为应用场景，采用理论分析、计算机仿真和实验验证相结合的研究方法，系统地研究室内可见光通信中利用多个照明光源实现空间调制所涉及的信道估计、天线选择和数据检测三个关键问题。..根据室内照明环境的特点，本项目将建立室内多照明光源场景的信道模型，分析并提炼关键的时变信道参数，设计低克拉美罗界的信道训练序列和信道估计方案；基于估计的信道信息，分析空间调制的信号空间，并通过自适应天线选择优化链路传输；考虑信道估计和定时同步误差的影响，基于鲁棒优化理论，设计低复杂度的高性能数据检测算法。项目组将搭建实验平台评估项目的研究成果。

可见光通信是未来室内高速无线传输最具前景的方向之一。本项目以典型室内照明环境为应用场景，采用理论分析，计算机仿真和实验验证相结合的研究方法，系统地研究室内可见光通信中利用多个照明光源实现空间调制所涉及的信道估计、天线选择和数据检测三个关键问题。..在四年的研究时间内，课题组紧紧围绕任务书中制定的工作目标，针对基于空间调制的室内可见光通信理论与技术问题开展了深入的理论探索和研究。此外，为了追踪可见光通信领域最新研究进展，课题组成员还积极参与和本课题相关的各项学术交流活动。经过课题组全体成员的共同努力，现已圆满地完成了本课题的预期目标。到目前为止，共发表（含录用）高质量的学术论文31篇，其中SCI检索源期刊17篇，EI检索源会议14篇。..本项目所取得的代表性成果包括：（1） 在考虑室内可见光通信的一些实际限制条件下，研究一种二维的信号空间，找到了能够得到最大信号空间的基本函数。（2） 在考虑室内可见光通信的一些实际限制条件下，信号域采用脉冲幅度调制（PAM）序列。提出了联合设计和贪婪算法进行星座设计，得到最大最小欧几里得距离的PAM序列。（3）在考虑室内可见光通信的一些实际限制条件下，研究了可见光通信系统中二维信号空间，提出了信号空间与基础方程之前的关系。提出了最大化最小欧氏距离的星座设计。（4）在考虑可见光通信系统的相关约束情况下，采用联合优化和贪婪算法设计了脉冲幅度调制（PAM）序列。在最大闪烁时间间隔条件下给出了PAM序列的信号空间。（5）针对空间调制技术，研究了将自适应空间调制技术应用于可见光通信时的平均符号错误率。（6）研究了具有任意发送器数目的基于空间调制的可见光通信系统，提出了信道自适应比特映射方案，并推导出了互信息的下界。..本项目理论上建立的基于空间调制的室内可见光通信理论与技术，将推动新型室内可见光通信的理论研究并促进相关技术的发展，有助于获取具有自主知识产权的可见光通信理论和技术。本项目的研究对室内可见光通信的物理层相关理论分析具有重要意义，可以为未来室内高速无线传输技术的演进提供支持。