照明约束下的直流携信可见光通信系统设计与性能研究

Visible light communication (VLC) has recently taken an important complementary role to the conventional radio frequency communications. Notably, high spectral-efficiency and communication rate are achievable leveraging high order modulation and orthogonal freqency division multiplexing. However, these systems suffer from low energy-efficiency, due to the adoption of non-informative DC, where non-trivial portion of energy is not utilized for communication. Also, independent low-dimensional constellations are applied with conventional methods, resulting in lower energy-efficiency. Besides energy-efficiency, it is also challenging while necessary to consider lighting requirements, i.e. to coherently integrate communication and illumination. In this proposal, we seek to increase the energy-efficiency of VLC systems leveraging DC-informative modulation in high-dimensional Euclidean space, jointly in time, frequency and color domains. Also, we propose methods optimizing bit-to-symbol mapping, precoding, etc. based on advanced mathematical tools such as nonlinear programming, matrix analysis theory, and stochastic process theory. An experimental testbed will be built to reveal mutual effects of lighting and communication. Completion of this project is anticipated to lead to theorectical advancements and technological innovations.

近年来，可见光通信正逐步成为传统射频通信重要的补充方案，其中基于高阶正交频分复用的传输系统在高速、高频谱利用率传输方面获得了长足进展。然而，基于传统调制方案的系统能量利用率较低，主要原因是直流能耗比例大，但其不携带信息造成浪费。另外，子载波在低维欧式空间独立调制也导致能效瓶颈。除了提高能效的迫切需求，如何在高效通信的同时满足照明的要求，即实现通信照明一体化也面临诸多挑战。针对这些挑战，本项目运用优化理论、矩阵分析理论和随机过程理论，设计并深入研究符合照明约束的高能效调制解调方案、星座图映射方案、预编码方案等，在时频色联合域分别设计基于直流携带信息的多载波高维联合调制系统，大幅度提高可见光通信能量效率。同时构建系统实验验证平台，研究照明性能与通信性能的相互制约关系。本研究有助于取得理论和关键技术的自主创新。

照明约束同时对可见光通信系统设计带来了难度，由于信号非负约束的存在，使用传统的物理层信号处理及优化方法往往离最优解甚远，色彩约束进一步限制了优化空间，另外，部分系统的信号与噪声具有相关性，给系统设计又带来了额外困难。本项目针对以上设计难点，在相应可见光系统调制、预编码、功率分配、干扰管理等方面进行了理论研究，并搭建了一套实验系统。在系统调制方面，给出了照明约束下直流携带信息的方案，大幅提高能效，此方案可以适用于多色多载波及信号相关噪声场景，另外，项目首次提出旋转欧式距离已经距离域/距离谱的概念，在信号与噪声相关的情况下优化了星座图，在传统基于最小欧式距离的方案上获得的显著增益；在系统预编码方面，研究了照明约束下信号噪声不相关时的预编码器最优结构，同时研究了信号噪声相关时的预编码器设计，并证明了此时上下行系统不存在最小均方误差对偶的性质；在功率分配方面，项目研究了并设计了非正交调制技术在可见光通信中的应用方案，取得了比正交调制技术明显的增益。综合上述结果，本研究为探讨照明约束下的可见光系统设计奠定了坚实的理论基础。硬件系统方面，搭建了一套基于有机LED的可见光通信系统，采用光OFDM调制和非线性抑制技术，实现了3米以上的高速可靠传输。在适合可见光通信的多路透镜设计及信道建模方法方面取得了一定研究进展，为进一步提高实验系统通信性能打下基础。