室内高速可见光通信自适应空间关联传输技术研究

This application investigates the transceiver design for visible light communication systems, where the channels are are non-negative and considered to be relatively deterministic and highly correlated due to the utilized intensity modulation and direct detection. For such system, we propose to collaboratively design the transceiver in the space dimension and to adjust the corresponding parameters of the system and signal design adaptively in order to simultaneously provide the robust communication and satisfactory illumination. To this end, the research of the application is on the following aspects: 1) An equivalent analytical channel model will be established by deeply collaborating the optical system and the transceiver to be designed. By doing this, our focus will be on the parameter set that affects the channel correlation and how to enhance the channel matrix rank number by adjusting the dominant parameters. 2) To further utilize the channel correlation, we will design the energy-efficient space-collaborative multi-dimensional constellation, subject to the constrained average optical power and illumination requirements, for the case with or without channel state information at the transmitting side. In addition, the error performance and low-complexity detection of the proposed design will also be deeply investigated. 3) A high spectral efficiency with space collaborative and faster-than-Nyquist design will also be our main concern, which aims at realizing high-speed transmission and efficient multiple access. By considering the channel state information and users' diverse quality requirements, the corresponding parameters such as signal power and time delay will be carefully determined and the performance limit will be given. To sum up, by accomplishing the aforementioned tasks, it is expected to attain fundamental results for the highly dense multi-use indoor visible light communications in future.

面向室内多用户可见光通信典型应用需求，针对其空间资源丰富、信道静态稳定、信道信号非负等特点，本申请提出关联设计处于不同空间位置的多个发射端与多个接收端，协同调整系统光学参数与信号参数，以期实现高速传输和高效接入双重功能，主要研究内容包括三个部分：一是建立光学系统与信号系统相协同的可见光通信等效信道模型，分析信道相关性的产生机理，研究联合调整光学参数和信号参数来构造满秩信道矩阵并降低信道相关性的方法；二是结合照明亮度需求和平均光功率受限等约束条件，在发端已知或者未知信道信息的条件下，分别设计理论最优或近似最优的空间关联星座，分析其传输误码性能，研究快速检测算法；三是利用超奈奎斯特空间关联信号设计的方法来同时实现高速传输和高效接入，分析其理论性能极限，并根据信道信息和不同用户的业务需求，优化信号功率、相对时延等参数。本项目的研究将为未来室内高速高密度多用户可见光通信奠定技术基础。

本项目面向室内高速高密度多用户可见光通信典型应用需求，围绕可见光通信相关信道高效传输展开研究，通过关联设计处于不同空间位置的多个发射端与多个接收端，提升密集阵列可见光通信传输性能。为解决关键科学问题，本项目具体研究以下三个方面的关键内容：（1）建立光学系统与信号系统相协同的可见光通信等效信道模型；（3）结合照明亮度需求和平均光功率受限等约束条件，优化设计空间关联星座，研究其快速检测算法；（2）利用超奈奎斯特空间关联信号设计的方法来同时实现高速传输和高效接入。按照项目研究计划和技术路线，项目关键技术问题逐步得到解决，形成了以可见光通信空间关联星座为核心的理论成果，完成了项目预定任务。具体研究成果分为以下四个方面：（1）建立了空间关联传输理论框架。在分析可见光通信信道相关性的基础上，揭示了可见光通信信道相关性产生的内在机理，并进一步给出了实现相关信道可靠传输的空间关联星座理论框架，提出了实现电光电等效满秩信道的一体化构造方案。（2）设计了多种空间关联星座最优方案。针对可见光通信典型应用场景，利用可见光通信的信号和信道双重单极性，分别求解了信道反馈信息已知和未知时的可见光通信最优传输结构和一般性的构造方法。（3）给出了空间关联星座的快速检测算法。在可见光通信空间关联最优结构下，给出了实现传输性能和检测复杂度有效折中的传输方案，在提升传输增益的同时实现快速最大似然检测，为大规模阵列传输系统提高可行的高效传输方案。（4）优化了多用户可见光高效接入方法。通过分析多用户关联传输的理论性能限，给出了其关联长度、欧式距离直接的关系，实现了多用户接入和传输性能的优化提升。在此过程中，发表学术论文23 篇，其中SCI 检索20篇；出版学术专著2部；以主要起草人/单位撰写可见光通信国家标准4项；申请国家专利5项；累计培养研究生11人，其中，三篇获评河南省\全军优秀学位论文；获得河南省自然科学三等奖1项。