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室内可见光通信发光二极管阵列发射性能的研究

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物理学报 2014年第23期63卷 440-447页

作者：刘浩杰蓝天倪国强北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室北京100081

提出了一种基于Lambert辐射模型的发光二极管光源阵列发射天线光照度计算模型,对室内可见光通信发射天线进行了优化设计.分析了光源的空间分布形式、光源间距、光源中心光束与系统光轴夹角以及空间分布层间距等因素对光照度均匀性的影响... 详细信息

提出了一种基于Lambert辐射模型的发光二极管光源阵列发射天线光照度计算模型,对室内可见光通信发射天线进行了优化设计.分析了光源的空间分布形式、光源间距、光源中心光束与系统光轴夹角以及空间分布层间距等因素对光照度均匀性的影响.通过仿真模拟和分析,得到了圆形阵列天线在照度均匀性和通信传输信号稳定性方面都优于相同光源数目的矩形阵列天线,并且提高了10%左右;同时得出了在满足室内照明情形下,发光二极管阵列发射天线照度均匀度随光源间距及光源中心光束与系统光轴夹角的增加均呈现出先增加后减小的变化趋势,因此,光源间距和光源中心光束与系统光轴夹角均存在最优值;照度均匀度随空间分布层间距的减小而增加,并给出了5 m×5 m×3 m普通房间内发射天线阵列设计参数的最优值,使发射性能得到了优化,同时节省光源数13%,降低了成本.这些研究为发射天线系统的设计提供了理论依据,具有实用价值.

关键词：室内可见光通信发光二极管发射天线光照度均匀性

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室内可见光通信复合光学接收端设计与分析

物理学报 2017年第8期66卷 125-133页

作者：王云蓝天倪国强北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室北京100081

本文提出了一种适用于室内可见光通信的新型光学接收端的设计.根据复合抛物面聚光器的聚光特性,将光电探测器与复合抛物面聚光器耦合作为接收子单元,并将这些接收子单元按照特定的几何关系嵌入一个半球面中,得到角度分集型的复合光学接... 详细信息

本文提出了一种适用于室内可见光通信的新型光学接收端的设计.根据复合抛物面聚光器的聚光特性,将光电探测器与复合抛物面聚光器耦合作为接收子单元,并将这些接收子单元按照特定的几何关系嵌入一个半球面中,得到角度分集型的复合光学接收端,达到水平方向360°,垂直方向180°的大视场.对每个接收单元接收到的光能量,低传输数据时进行相加求和作为最终的接收功率,高数据速率时取各个子单元的最大值作为接收功率.在一个5 m×5 m×3 m的空旷房间中,通过MATLAB对室内可见光通信系统建模仿真.计算结果表明,采用这种复合型光学接收端后,两种不同处理算法下的接收功率相对于直接接收分别提高了11.85和7.47 dB,增益分别为15.31和5.98.信噪比较高,两种情况下的平均值分别为79.17和72.26 dB,且接收信噪比分布平缓,波动较小.这说明采用本文设计的光学接收端,不仅能够得到较大的接收端视场角,同时获得较高的增益和接收功率,以及稳定的接收信噪比,避免了室内可见光通信系统中通信盲区的存在,保证了室内通信性能的稳定性.

关键词：室内可见光通信接收端接收功率

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室内可见光通信多阵元发射天线优化设计

应用科学学报 2011年第3期29卷 238-242页

作者：丁德强柯熙政李建勋西安通信学院军事电子工程系西安710106 西安理工大学自动化与信息工程学院西安710048

基于一种新的白光LED发光模型,对室内可见光通信系统多白光LED阵元发射天线进行了优化设计.分析了多阵元发射天线的阵元分布、阵元光轴极角、阵元层间距、阵元数目等参数对室内光功率分布的影响,给出了设计参数的优化选择方法和原则.并... 详细信息

基于一种新的白光LED发光模型,对室内可见光通信系统多白光LED阵元发射天线进行了优化设计.分析了多阵元发射天线的阵元分布、阵元光轴极角、阵元层间距、阵元数目等参数对室内光功率分布的影响,给出了设计参数的优化选择方法和原则.并通过控制发射光功率的方法,实现了光功率分布为平顶形的多阵元天线设计.通过仿真和实验研究验证了所提出的优化设计方法.

关键词：室内可见光通信多阵元发射天线光功率分布

基于压缩感知的室内可见光通信系统信道估计算法研究

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基于压缩感知的室内可见光通信系统信道估计算法研究

作者：李致锋中北大学

学位级别：硕士

可见光通信（VLC）顾名思义就是使用可见光来实现无线通信,主要利用发光二极管（LED）发出的高频闪烁光信号来传输信息。VLC能够同时实现照明与通信的功能,具有通信速率高、绿色安全、频谱资源丰富等优点,被认为是5G通信中射频（RF）技... 详细信息

可见光通信（VLC）顾名思义就是使用可见光来实现无线通信,主要利用发光二极管（LED）发出的高频闪烁光信号来传输信息。VLC能够同时实现照明与通信的功能,具有通信速率高、绿色安全、频谱资源丰富等优点,被认为是5G通信中射频（RF）技术的补充技术,在室内场景应用中具有广阔的前景。但是加载在LED光源上电压需要落在其线性区域上,否则会造成截止失真或者饱和失真,这大大减少了高速室内VLC系统可以使用的调制带宽。为此,学术界将眼光放在了新型调制技术和先进数字信号均衡技术当中,这其中的多输入多输出正交频分复用（MIMO-OFDM）技术被认为是解决这一问题的关键技术之一。虽然MIMO-OFDM技术可以有效地提高室内VLC系统信道容量以及传输速率,但是室内MIMO-OFDM VLC系统通信性能很大程度取决于信道状态信息（CSI）的准确性。因此,精确的信道估计（CE）技术能够有效保障VLC系统的通信性能。而在直流偏置光正交频分复用（DCO-OFDM）系统中,有效载波数将会降低为传统射频OFDM系统的一半,所以在VLC系统中使用传统信道估计算法如:最小二乘法（LS）等,会使得VLC系统频谱利用率进一步地降低。在室内VLC系统中,由于光信号发生折射和发射,自由空间可见光传输信道中产生了非视距（NLOS）信道。然而,室内光功率主要集中在视距（LOS）信道,具有明显的稀疏性。因此,为了提高频谱效率,本文将压缩感知（CS）算法应用于室内可见光通信系统的信道估计中,研究了基于CS算法的室内MIMO-DCO-OFDM VLC系统信道估计技术,本文的主要工作如下:（1）阐述了室内VLC系统的基本原理,介绍其工作原理和信道数学模型。研究将光MIMO技术和光DCO-OFDM技术结合为MIMO-DCO-OFDM技术,并将其应用于室内VLC系统中,构建出一个室内4×4 MIMO-DCO-OFDM VLC系统,在接收端进行光强度和光功率等方面的仿真分析,并将该系统建模成压缩感知问题。（2）对压缩感知算法进行一个总体性的介绍,着重分析压缩感知在CE中的应用。在介绍基于OMP算法和SWOMP算法的信道估计技术的基础上,分析目前已有的OMP算法和SWOMP算法的不足之处,提出了一种基于SWOMP算法的改进SWOMP（ISWOMP）算法。该算法通过融合基于步长的原子筛选和原子的二次选择,提升了原子选择的准确性。仿真实验表明,本文所提出的ISWOMP算法优于传统压缩感知算法。（3）分析室内4×4 MIMO-DCO-OFDM VLC系统的稀疏信道模型,将压缩感知技术应用到CE当中,研究对比LS,OMP,SWOMP和ISWOMP这四种算法对CSI进行重建的性能,并通过室内4×4 MIMO-DCO-OFDM VLC系统进行仿真验证。仿真结果表明,与其他三种算法相比,本文提出的基于ISWOMP算法的信道估计技术具有更低的误码率以及更高的频谱利用率。

关键词：室内可见光通信压缩感知信道估计多输入多输出正交频分复用

基于概率整形的室内可见光通信信道编码的研究

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基于概率整形的室内可见光通信信道编码的研究

作者：杜景义长春理工大学

学位级别：硕士

室内可见光通信(VLC)是利用白光LED光源,在照明的同时实现无线通信,具有传输速率快、节能环保等优势。但目前白光LED的最大调制带宽约20MHz,且在发射功率较高时存在非线性效应,使VLC的通信速率受到制约。为了满足当前日益增长的室内无... 详细信息

室内可见光通信(VLC)是利用白光LED光源,在照明的同时实现无线通信,具有传输速率快、节能环保等优势。但目前白光LED的最大调制带宽约20MHz,且在发射功率较高时存在非线性效应,使VLC的通信速率受到制约。为了满足当前日益增长的室内无线通信需求,在现有LED器件条件下如何提升VLC调制速率和传输可靠性是急需解决的科学问题。本文采用正交频分复用(OFDM)多载波调制方式,以充分利用有限的调制带宽,并采用概率整形技术,以降低发射功率。在此技术上开展信道编码研究。本文主要研究工作如下:(1)研究分析里所码(RS)、低密度奇偶校验码(LDPC)两种信道编码在室内VLC系统中的性能并对LDPC的纠错能力优化完善。通过分析光器件和信道特性建立VLC系统模型,利用模型综合分析了直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM)和非对称剪切光正交频分复用(ACO-OFDM)两种调制方式的优缺点,结合VLC特性选用ACO-OFDM。完成信道估计与均衡的工作,并探究了不同速率下系统的脉冲响应,消除了码间串扰与载波间干扰的问题。比较分析不同通信速率下RS与LDPC两种编码的性能。进一步探究了LDPC译码的置信传播算法并做出调整,使其以尽量小的迭代次数达到更好的纠错效果,编码增益提高了超过1d B。(2)提出在采用ACO-OFDM调制下的室内VLC系统中使用概率整形结合LDPC编码的方法。从信息散度、信源熵、发射功率和误码情况等角度,分析了概率整形的特性,4.7%的信息损失便可以换来36.4%的功率节省。结合概率整形与LDPC编码,有效的改善了此编码调制系统中传输模式的颗粒度,在一定的传输速率下对信噪比的要求更低。lambda取1的概率整形结合5/6码率的LDPC码和只有lambda取2.85的概率整形相比,频谱利用率相同,前者对信噪比的需求降低了2d B;和只采用3/4码率的LDPC码相比,两者达到无误码时对信噪比的需求相同,但前者频谱利用率提高了0.26bits/sym,并且发射功率降低了30.5%。

关键词：室内可见光通信概率整形正交频分复用编码调制信道编码

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二级级联式室内可见光通信光学接收天线设计

物理学报 2015年第16期64卷 238-243页

作者：张逸伦蓝天高明光赵涛沈振民北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室精密光电测试仪器及技术北京重点实验室北京100081

针对室内可见光通信系统的传统光学接收天线无法同时满足高增益和大视场的问题,设计了一种二级级联式光学天线.通过分析信噪比、通信速率与接收天线视场角的关系,发现视场角为40?—60?的光学天线最适用于室内可见光通信系统.通过光学仿... 详细信息

针对室内可见光通信系统的传统光学接收天线无法同时满足高增益和大视场的问题,设计了一种二级级联式光学天线.通过分析信噪比、通信速率与接收天线视场角的关系,发现视场角为40?—60?的光学天线最适用于室内可见光通信系统.通过光学仿真软件Trace Pro的模拟及计算,给出了所设计的二级级联式光学天线的增益随信号光入射角的变化关系.结果表明,相较于传统接收天线,二级级联式光学天线具有更好的光学性能,视场角为菲涅耳透镜单独接收时的4倍.利用Matlab对二级级联式光学天线竖直向上时的接收功率分布进行仿真,结果显示探测器接收到的信号功率提升效果明显,平均值较直接探测时增大了7 d Bm,进一步证实该二级级联式光学天线适用于室内可见光通信系统.

关键词：室内可见光通信二级级联式光学接收天线视场增益

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室内可见光通信中的自适应分集接收技术

计算机工程与设计 2016年第5期37卷 1161-1165,1238页

作者：李春明王彦朋秦小翔河北科技大学信息科学与工程学院河北石家庄050000

针对室内可见光通信系统中信道是典型的随参信道、数据传输存在多个路径的特点以及室内人员、物体的移动可能会造成信号路径遮挡的问题,提出一种基于变步长最小均方算法的自适应分集接收技术,结合分集接收技术和自适应信号处理技术各自... 详细信息

针对室内可见光通信系统中信道是典型的随参信道、数据传输存在多个路径的特点以及室内人员、物体的移动可能会造成信号路径遮挡的问题,提出一种基于变步长最小均方算法的自适应分集接收技术,结合分集接收技术和自适应信号处理技术各自的优点。通过理论分析和仿真验证,与传统的分集接收技术进行对比,对比结果表明,该技术可有效改善接收端信号质量,减小多径传输引起的码间干扰并提高系统对室内环境变化的适应能力。

关键词：室内可见光通信随参信道分集接收技术自适应信号处理变步长最小均方算法

室内可见光通信系统的用户调度方案的优化设计

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室内可见光通信系统的用户调度方案的优化设计

作者：郭丽吉林大学

学位级别：硕士

可见光通信（Visible Light Communication,VLC）是一种新型的无线通信方式,由于它可以在实现照明的同时实现高速率的通信,而且通信过程中没有电磁污染,通信保密性高,所以可见光通信被认为是一种很有前景的通信方式。在VLC技术的发展中... 详细信息

可见光通信（Visible Light Communication,VLC）是一种新型的无线通信方式,由于它可以在实现照明的同时实现高速率的通信,而且通信过程中没有电磁污染,通信保密性高,所以可见光通信被认为是一种很有前景的通信方式。在VLC技术的发展中也存在着许多问题。在对室内可见光通信系统的研究中,大多数的研究工作多集中于点对点的VLC技术,这种一发一收的场景不涉及到用户间的干扰问题。所以,对于多个光接入点（Access Point,AP）传输数据到多个用户接收机的多用户可见光通信场景,由于一个AP在一个时隙内只能供一个用户使用,若一个AP的辐射范围内有多个用户,那么这几个用户间就存在干扰。而内部用户之间的干扰是限制系统性能的主要因素。因此,本文首先搭建了一个室内多用户VLC场景,并且设计了三种不同的AP布局:环型布局、蜂窝型布局和网格型布局。通信过程中,多个AP同时将信号传输给多个用户。然后本文研究了一种基于图论、贪心算法和虚拟单元概念的调度方案,并且与原有的调度方案进行了对比。在本文改进的方案中,我们首先引入了图论的方法,即用冲突图的方式来描述用户间的干扰,然后改进了用户的优先级因子和权重计算方式,这样,调度问题就转化为一个加权最大独立集（Maximum Weighted Independent Set,MWIS）问题。而对于MWIS问题,贪心算法无疑是最适用的。根据用户的权重找到冲突图的MWIS之后,就确定了当前时隙的活跃用户。对于每个活跃用户接收范围内的AP,它们将形成一个虚拟单元并传输信号相同的信号给该活跃用户,以增加多样性,这就是我们的调度方案。然后,我们在三种不同的LED布局下对比了我们改进的方案和原方案的速率总和,并且仿真找到了不同LED布局下最佳的视场角（Field of View,FOV）。仿真结果表明,我们的改进方案在改善用户速率总和方面,结果优于原方案,并且我们改进的方案还降低了硬件复杂度、减少了计算量。同样我们的调度方案实现了避免用户间的干扰,优化了整个系统的性能,在一定程度上保证了用户的公平性,有效地改善了室内可见光通信系统的通信质量。

关键词：室内可见光通信图论贪心算法虚拟单元调度方案

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室内可见光通信调制算法研究

室内可见光通信调制算法研究

作者：单晔大连理工大学

学位级别：硕士

可见光通信是利用可见光波段进行通信,它能解决现有频谱资源稀缺的问题,同时又能消除电磁干扰和减少对人体的辐射。室内可见光通信在照明的同时完成通信,不仅能够节约能源,还避免了架设通信设备,对于不透光的室内来说,还能够实现信息的... 详细信息

可见光通信是利用可见光波段进行通信,它能解决现有频谱资源稀缺的问题,同时又能消除电磁干扰和减少对人体的辐射。室内可见光通信在照明的同时完成通信,不仅能够节约能源,还避免了架设通信设备,对于不透光的室内来说,还能够实现信息的安全保密传输。因此,室内可见光通信成为了当下通信发展的热潮。本文首先介绍了白光LED的特点,并讨论了可见光传统的调制方式。开关调制是最简单可靠的调制方法,基于此本文介绍了可见光通信的硬件实现原理。脉冲调制包括脉冲幅度调制、脉冲位置调制和脉冲宽度调制。脉冲调制相对于开关调制而言,能够根据脉冲变化的多样性增加传输速率。在室内MIMO可见光通信模型基础之上,本文介绍了解调算法,包括最大似然、对数似然比以及最大比合并检测,并对前两者进行仿真比较,结果表明,两者性能几乎相同。在基于MIMO的可见光通信系统中,不同信道之间具有高度相关性,因此通信的可靠性较低。为了改善系统的性能,本文首先比较了重复编码、空间复用和空间调制这三种技术,仿真证明空间调制具有最优的性能,基于此提出了改进的空间调制算法,在保持系统传输速率不变的情况下,将传统空间调制中每时刻激活一根天线扩展为两根,并利用非均匀的能量分配准则进行调制,较好地克服了信道的高度相关问题。本文在在4×4信道下对算法的误码率进行了仿真,结果表明该算法在高信噪比下,系统的可靠性得到了显著的提升。要实现室内照明的亮度可控,传统的方法是改变每个包含信息传递时隙的脉冲大小。由于发射器件一般有最大脉冲限制范围,亮度的提升空间较小,因此可以通过调制未被利用的时隙的脉冲完成亮度的提升。基于上述原理,本文首先在SISO模型下,比较了现有的PPM平均调制和VMPPM调制的性能,实验证明VMPPM具有更好的稳定性。在此基础上,本文提出了将脉冲幅度调制与VMPPM相结合的算法,既维持了其可靠性不变,又实现了亮度比例任意可调。接下来,本文将亮度控制应用到室内MIMO系统中,将亮度调制的时间概念转化为空间概念,并对PPM平均调制和VMPPM进行仿真比较。结果表明,在MIMO系统中,PPM平均调制的性能更好。

关键词：室内可见光通信脉冲调制空间调制亮度控制