室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著移動(dòng)通信用戶人群的不斷增加,電磁波譜中射頻無線通信所占用的無線電波頻帶愈漸擁擠。以頻率更高、波長更短的光波作為傳輸媒介的通信方式,具有可用頻帶寬、通信容量大、傳輸速率高及抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),成為通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中,室內(nèi)可見光通信技術(shù)就是在普通照明光源的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)傳輸功能,通過照明光源的高速明暗閃爍來傳遞信息,接收端則使用光敏器件來捕捉獲取光信號(hào)中攜帶的數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)為室內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)提供了一種全新的寬帶接入方式,是

2、構(gòu)建室內(nèi)無線通信系統(tǒng)的一種有效補(bǔ)充?；诖?本文對(duì)室內(nèi)信道環(huán)境下可見光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)展開研究,重點(diǎn)研究室內(nèi)可見光通信的信道模型、調(diào)制解調(diào)技術(shù)及信道編碼技術(shù),為室內(nèi)可見光通信技術(shù)的實(shí)用化奠定基礎(chǔ)。
　　首先,本文對(duì)以LED(Light Emitting Diode,發(fā)光二極管)陣列作為照明光源的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)信道傳輸特性進(jìn)行了深入分析,建立了一種涵蓋光源布局與布線的室內(nèi)可見光通信信道模型。通過對(duì)可見光直射視距鏈路和反射非視距

3、鏈路的特點(diǎn)分析,就其中存在的不完善之處進(jìn)行了深入研究,首次考慮了發(fā)射端LED陣列中光源分布、無線通信接入點(diǎn)與LED陣列之間的路徑、LED陣列與LED之間的路徑、LED光源存在多個(gè)反射路徑等信道因素,對(duì)現(xiàn)有室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)信道鏈路模型進(jìn)行了改進(jìn),推導(dǎo)了涵蓋光源布局與布線的室內(nèi)可見光通信信道沖激響應(yīng)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)該信道模型的仿真研究表明,無線通信接入點(diǎn)與LED陣列之間以及LED陣列與各個(gè)LED之間的路徑會(huì)加劇可見光通信系統(tǒng)的接收端

4、多徑效應(yīng)的影響,而系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)傳輸速度也會(huì)受到LED陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制?；谠撔诺滥Ｐ?也研究了緩解LED陣列光源發(fā)光不一致所引入的符號(hào)間干擾現(xiàn)象的策略,并對(duì)各個(gè)策略的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。
　　其次,為了提高室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率,并考慮LED調(diào)制帶寬的影響,本文重點(diǎn)研究了室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)。論文分析了可見光通信系統(tǒng)典型調(diào)制方式的基本原理,結(jié)合室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)對(duì)調(diào)制方式的特殊需求,提出了一種MVPM(M

5、-ary Variable Period Modulation,多進(jìn)制變周期調(diào)制)調(diào)制方法,給出了MVPM的調(diào)制和解調(diào)原理及參數(shù)選取原則,分析了MVPM的帶寬利用率、誤符號(hào)率、閃爍緩解和明暗控制等性能,理論仿真結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)的數(shù)字基帶調(diào)制方式,MVPM擁有更佳的帶寬性能,適合應(yīng)用于調(diào)制帶寬受限的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中。在此基礎(chǔ)上,本文對(duì)MVPM進(jìn)行了改進(jìn),提出了DCF-MVPM(Duty Cycle Fixed-MVPM,占空比固定

6、多進(jìn)制變周期調(diào)制)和MNVWPM(M×N-ary Variable Width Period Modulation,多進(jìn)制變寬度周期調(diào)制)兩種調(diào)制方式,其中DCF-MVPM解決了MVPM潛在的光源閃爍問題,MNVWPM則具有更高的帶寬利用率,適合信噪比高的應(yīng)用場合。同時(shí),對(duì)MVPM、DCF-MVPM和MNVWPM三種調(diào)制方式對(duì)信道產(chǎn)生的符號(hào)間干擾現(xiàn)象的抵抗能力進(jìn)行了分析。
　　然后,為了更好的適應(yīng)信道環(huán)境,提高系統(tǒng)的傳輸性能,本文

7、對(duì)室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中的編碼技術(shù)展開了研究,提出一種基于RS碼(Reed-Solomon Code,里德-所羅門碼)編碼體制的LDSCC(L-Dimensional Serial Concatenated Code,多維串行級(jí)聯(lián)碼)的信道編碼技術(shù)。詳細(xì)給出了LDSCC的編譯碼原理和構(gòu)造過程,并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法對(duì)信道傳輸性能的改善結(jié)果,LDSCC編碼維數(shù)越高,信道傳輸性能越好,但是相對(duì)應(yīng)的編譯碼復(fù)雜度也越高。同時(shí),考慮到室內(nèi)可見光

8、通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厥庖?提出了RALDSCC(Rate-AdaptiveL-Dimensional Serial Concatenated Code,碼速率自適應(yīng)多維串行級(jí)聯(lián)碼)編碼結(jié)構(gòu),根據(jù)室內(nèi)光強(qiáng)的不同選擇相應(yīng)的編碼維數(shù)以實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)傳輸速率,理論分析了該編碼方法的有效性。
　　最后,為了驗(yàn)證室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)和編碼方法的性能,本文設(shè)計(jì)了室內(nèi)可見光通信硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),給出了硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖、關(guān)鍵器件選取及

9、核心電路設(shè)計(jì)過程。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,通過改變多進(jìn)制變周期調(diào)制MVPM及其改進(jìn)型的調(diào)制方式—占空比固定多進(jìn)制變周期調(diào)制DCF-MVPM和多進(jìn)制變寬度周期調(diào)制MNVWPM的調(diào)制參數(shù)及可見光光源與接收光敏二極管之間的通信距離等因素,分析了MVPM、DCF-MVPM和MNVWPM在室內(nèi)可見光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的傳輸性能,給出了各種實(shí)驗(yàn)條件下的誤符號(hào)率與通信距離之間的關(guān)系;研究了多維串行級(jí)聯(lián)碼編碼結(jié)構(gòu)與MVPM結(jié)合后在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中的傳輸性能,驗(yàn)