《可见光通信系统**传输理论及关键技术》对可见光通信的**研究成果进行认真梳理，从基础理论和传输技术角度对可见光通信系统中的**传输问题进行详细分析，系统介绍可见光通信系统的**传输理论，分别对不同场景的**传输方案进行论述。作为可见光通信**传输理论及技术的应用，*后介绍典型的阵列可见光通信实验系统。

第1章 绪论
1.1 技术背景及意义
人类进入信息时代之后，对信息传输的需求越来越高。移动通信使人们可以在移动状态下自由地接入移动通信网络，发送或接收信号，因而得到了广泛的应用。然而宽带互联网时代，承载信息的传统无线电频谱资源日趋枯竭，因此，如何利用有限的频谱资源**限度地提高移动通信的系统容量成为移动通信领域研究的基本目标之一。时至**，为了提高无线频谱资源的利用率，在移动通信的物理层传输、无线网络规划、媒体接入控制层中的无线资源分配以及发展毫米波通信和太赫兹通信等各个层面都有人们不断尝试的身影，但无线频谱资源的紧张仍然未得到有效缓解。
随着短距无线通信的兴起和基于固态新型照明的大功率发光二极管(light emitting diode，LED)的不断发展，1999年香港大学电子工程系的一位教授提出了可见光通信(visible light communication，VLC)技术，日本庆应义塾大学的教授发展了该项技术[1]，他们建议让LED通/断切换得足够快以至于人眼无法分辨，从而可以用它们来传送数据，这个建议就是可见光通信的理论基础。可见光通信是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的光无线通信���术[2，3]。
早在2012年，我国信息领域的**专家邬江兴就指出，可见光通信这项新兴绿色信息技术与LED绿色照明、第五代移动通信、室内信息网络、无人驾驶车辆、家庭机器人、水下信息网络、广告新媒体等诸多新兴重要产业以及电力等传统重大产业紧密关联，拉动的产业链长，关联市场容量巨大，是一种抓手级战略性新兴产业，预期可形成年产值万亿元的市场规模。据《2014年欧洲可见光通信组织市场调查报告》预测，全球可见光通信产业预期将在2022年达到2000亿美元(约14000亿人民币)的年产值规模。也就是说，在光通信普及进程不断推进的同时，可见光通信技术将站在LED这个巨人的肩膀上。
可见光通信与LED绿色照明产业的自然融合，将大幅提升该产业的全球核心竞争力。我国目前已成为全球LED灯具生产的大国，但过剩的产能、同质化的品类以及低附加值的产品严重制约了这个产业发展的后劲。可见光通信技术的融入，可以将一盏普通的LED灯具变身为网络接入点、室内定位和通信基站，以实现从绿色照明向智慧照明的产业再升级。
人眼可见的光谱范围是已有无线电频谱的上万倍，基于可见光频段的信息传输技术是一种“有光能上网，有灯可互连”的新型无线通信技术，因为能将人工照明领域与信息通信领域自然融合，相比于受到无线频谱限制的射频(radio frequency，RF)通信，基于LED的可见光通信不存在频谱分配问题，不需要申请频段使用执照，还可以提供照明功能，且具有健康**、绿色节能、成本低廉等优势[4] ，另外，可见光通信还具有良好的保密特性。因此，可见光通信技术正在成为全世界各国竞相发展的具有战略性影响的高新技术。随着可见光通信技术的发展，其对于各个领域的进步也起着越来越重要的作用。
基于可见光通信的光保真(light fidelity， Li-Fi)网络接入，其速率可达到Gbit/s乃至Tbit/s量级，与现有的Wi-Fi 网络相比，其对人体无电磁辐射伤害，且有照明的地方就有无线网络，这也符合“更高速、更**、更绿色、更泛在”的智慧家庭的概念。
通信与照明的“历史性握手”将引发室内照明供电方式由交流模式向直流模式的重大转变，同时可以大幅度地降低LED照明成本，有效地延长LED灯具的使用寿命，更会加速传统照明产业的升级换代，因此，可见光通信的发展将彻底改变电力线通信产业目前“不温不火”的状态。
可见光通信具有支持高速、高密度通信的天然特性，可以把室外的路灯以及室内的照明灯升级为“移动基站”，同时提供一种极高速率、极低能耗的无线覆盖方式，有望达到未来第五代(fifth generation，5G)移动通信高速、高密度通信的目标，并且能弥补传统无线频谱资源匮乏、布设维护成本高昂、能耗过高等不足。
针对全球室内400亿盏灯的庞大照明网络，可见光通信可以利用这些优势来发展室内定位导航，只需要在每个LED灯泡内部设置一个“可见光定位标签”，从而以极低的成本实现米量级的定位精度，彻底“照亮”商场超市、地下停车场、大型写字楼等室内定位导航的盲区，实现室内外无缝的定位导航服务[5]。
利用汽车的LED前后灯以及泛在覆盖的交通信号灯和LED路灯可实现车辆的车速控制、间距保护和紧急制动等功能，并有效地助推无人驾驶汽车的产业化进程，从而加速交通管控、汽车制造等相关产业群的智能化升级换代，加速传统交通行业的进步[6]。
利用可见光实现**支付，可创建一种“看得见”的可视化移动支付方式，也是一种将传统金融业与移动互联网融合的新模式。
利用室内外广泛分布的液晶显示屏，可以建立起移动终端与屏幕之间“人眼无感”的可见光通信链路，创造“隐式广告”新型媒体服务及相关业务。
可见光的蓝绿频段衰减系数小，传输速率高，这将成为潜艇水下高速信息回传和水下目标侦察监视等的主流无线通信方式，避免了无线通信主流技术中低频无线电通信的天线规模巨大、水声通信速率太低和高频无线电通信衰减太快等问题，在未来国防**军事领域应用有很大的前景。
可见光通信的“催化剂”作用既可以体现在对诸多传统产业内部产生“聚变”效应上，又可以体现在将改变传统产业之间的分立状态，融合若干行业凝聚形成新的产业业态上，通信产业与照明产业的融合就是典型的范例。
1.2 研究历史和现状
通过十来年的快速发展，可见光通信突破了一大批关键技术，并在一些行业得到了初步的应用。但是就目前研究来看，可见光通信的应用仍处在发展阶段，除了市场上一些专门的订货之外，大部分还是停留在实验室研究阶段[7-9] ，同时仍面临一些亟待解决的问题，如可见光被物体遮挡、可见光与手机使用的结合、若接收器被阻挡则信号将被中断等。依据课题研究**的不同，下面主要从两个方面对可见光通信的发展现状进行详细的介绍。
1.2.1 可见光通信高速传输技术的研究现状
近年来，随着对可见光通信广泛的应用前景的认识，世界各国，尤其是欧洲、美国、日本等发达**和地区，争相开展了可见光通信关键技术研究。例如，日本成立了可见光通信联盟(Visible Light Communications Consortium，VLCC)，并加入了许多研究可见光通信的机构，世界各地研究可见光通信的机构也如雨后春笋般出现。这些研究为可见光通信进入寻常百姓家，成为一项真正能够服务于大众的通信手段奠定了坚实的技术基础。
在可见光通信关键技术的不断发展过程中，高速传输速率的纪录也在不断地被突破。不论在单载波还是多载波调制技术上，实现高速传输是所有通信系统的一个共有特点。从目前国内外的研发现状可以看出，学术界追求更高速率以及内在机理性问题研究，而诸多**包括日本、欧盟、美国、韩国等在内的产业界更注重开展可见光通信标准化研究，抢占可见光通信产业化的制高点。2008年，通过多谐振均衡技术，牛津大学的Minh等获得了25MHz的LED的调制带宽，使可见光的传输速率达到75Mbit/s[10]。利用64阶正交幅度调制(quadrature amplitude modulation，QAM)结合直流偏置光正交频分复用(direct current-biaseDoptical orthogonal frequency division multiplexing，DCO-OFDM)技术，在2009年，Elgala和Mesleh获得了80Mbit/s的传输速率[11]。同年，Minh等又设计了一阶模拟均衡器，从而将白光LED的调制带宽提高到50MHz，同时获得了100Mbit/s的可见光通信传输速率，相比于没有采用均衡处理的白光LED调制带宽来说，其调制带宽提高了25倍[12]。2009年，德国海因里希赫兹研究所的Vu.i.等通过开关键控(on-off keying，OOK)调制使可见光传输速率达到了125Mbit/s，且传输距离达到5m[13]。次年，根据注水原则，该研究团队通过对正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)的子载波进行功率分配，获得了513Mbit/s的传输速率[14]。2011年通过利用三色红绿蓝(red-green-blue，RGB)LED，该研究团队又使可见光通信传输速率达到了803Mbit/s[15]。2012年，Fujimoto 和Mochizuki 对发端和收端进行均衡器设计，将调制带宽从6.8MHz 提升到150MHz 以上，同时以双二进制码技术获得了614Mbit/s的传输速率[16]。2012年，文献[17]采用无载波幅度相位调制，实现了1.1Gbit/s的离线传输系统。次年，台湾交通大学Wu等通过RGBLED实现了3.22Gbit/s的通信速率，传输距离达到了25cm[18，19]。2012年，利用波分复用技术和离散多音(discrete multi-tone，DMT)调制技术的结合，Kottke等在商用RGBLED上使可见光通信传输速率达到了1.25Gbit/s[20]。同年，Cossu等通过类似技术获得了2.1Gbit/s的传输速率，且在红色单一灯芯上就能获得1Gbit/s的通信速率[21]。2012年，该团队将单一灯芯速率和三路复用速率分别刷新到了1.5Gbit/s和3.4Gbit/s[22]。2012～2013年，复旦大学的迟楠教授团队设计了一个包含4个下行用户、1个上行用户的可见光通信系统，通过OFDM技术获得了下行575Mbit/s和上行225Mbit/s的通信速率，通信距离可达66cm[23-25]。与此同时，利用多输入多输出OFDM(multiple-input multiple-output OFDM，MIMO-OFDM)技术，牛津大学Azhar等得到了1Gbit/s的传输速率[26]。2014年，Chi等以RGBLED为发射端，通过单载波频域均衡(single-carrier frequency-domain equalization，SC-FDE)设计了3.75Gbit/s的离线处理系统[27]。
1.2.2 可见光MIMO通信技术研究现状
LED单一灯芯调制带宽较为有限，远小于数百太赫兹频谱，严重限制了可见光通信的高速传输。原因在于，商用LED的调制带宽较窄，一般在几兆赫兹到数十兆赫兹[10]。为了使传输速率提升，可能的方法有两种：一是研究新型宽带LED，但是LED的发光效率与其带宽之间存在着一定的矛盾，需要在器件的结构和材料上实现突破；二是采用阵列传输，多灯并行工作来提高传输速率。阵列传输是可见光通信得天独厚的优势，正常的照明都是由多个LED共同合作完成的，也就是说可见光通信系统是一种天然的多输入通信系统，利用多个LED灯具或单个灯具内多个LED灯芯来实现高速通信，这也符合照明和通信的双重理念，也为实现多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)提供了物理基础。
目前，可见光通信中的MIMO技术主要有重复码(repetition code，RC)传输、空间调制(spatial modulation，SM)和多输入多输出可见光通信（multi-input multi-output visible light communications， MIMO-VLC）等几种。
重复码传输是无线光通信中*简单的MIMO技术，其所有天线同时发送相同的信号。在自由空间无线光(free space optical，FSO)通信中，天线的强度信号直接相加。仿真结果表明，其传输性能优于正交空时码(orthogonal space-time block code，OST

目录 序 前言 第1章 绪论 1 1.1 技术背景及意义 1 1.2 研究历史和现状 3 1.2.1 可见光通信高速传输技术的研究现状 3 1.2.2 可见光MIMO通信技术研究现状 4 1.3 可见光高速通信技术动态分析 6 1.3.1 可见光通信的技术独特性分析 6 1.3.2 可见光通信**传输的关键技术问题 9 1.4 小结 11 参考文献 11 第2章 可见光通信收发前端及其信道传输特性 15 2.1 LED发光器件 15 2.1.1 LED概述 15 2.1.2 LED驱动电路设计 18 2.1.3 LED的均衡 18 2.2 光电检测器件 21 2.2.1 光电二极管 21 2.2.2 雪崩光电二极管 21 2.2.3 光电倍增管 22 2.2.4 单光子雪崩光电二极管 22 2.2.5 多像素光子计数器 23 2.3 室内信道 24 2.4 大气信道 25 2.4.1 大气的基本物理特性 25 2.4.2 大气衰减效应 26 2.4.3 大气湍流模型 26 2.5 水下信道 29 2.5.1 水的基本物理特性 29 2.5.2 水下信道的衰减效应 29 2.5.3 水下光传播模型 31 2.6 小结 35 参考文献 35 第3章 阵列可见光通信传输性能的有效测度理论 37 3.1 概述 37 3.2 室内阵列可见光通信系统模型 38 3.2.1 信道模型 38 3.2.2 室内可见光通信信道特性 39 3.3 室内可见光通信信道容量分析 40 3.3.1 室内可见光通信点对点信道容量 40 3.3.2 室内可见光通信遍历信道容量 44 3.4 大规模阵列可见光通信有效性和可靠性问题 51 3.4.1 大规模阵列可见光通信信道特性分析 54 3.4.2 大规模阵列可见光通信有效性和可靠性测度定义 55 3.4.3 有效性和可靠性测度的特性分析 58 3.5 大规模阵列可见光通信有效性和可靠性折中准则 61 3.5.1 大规模阵列可见光通信折中准则的优化模型 61 3.5.2 **折中方案的快速搜索算法 62 3.5.3 折中准则与现有复用分集准则的对比分析 64 3.5.4 折中准则性能仿真与对比分析 64 3.6 小结 73 参考文献 74 第4章 可见光通信关联叠加**传输理论 76 4.1 概述 76 4.2 系统模型 77 4.2.1 信道模型 77 4.2.2 传输方案 78 4.2.3 **空间多维星座设计 79 4.2.4 检测准则 82 4.3 加性**可分解理论星座组 83 4.3.1 加性**可分解理论 83 4.3.2 超奈奎斯特多用户多小区方案 88 4.3.3 多址系统性能分析 91 4.3.4 多址系统快速检测 95 4.4 乘性**可分解星座组 96 4.5 小结 100 参考文献 100 第5章 可见光通信移相关联叠加编码传输技术 102 5.1 概述 102 5.2 分块移相空时码 103 5.3 块级联移相空时码 108 5.4 星座关联的可见光编码调制技术 112 5.5 星座关联的多LED移相空时码 115 5.6 小结 117 参考文献 117 第6章 可见光通信多维空时协作传输技术 119 6.1 概述 119 6.2 可见光通信多输入多输出系统线性**空时编码设计 119 6.2.1 线性**空时传输方案 119 6.2.2 线性**空时分组码的性质 123 6.3 可见光通信多输入多输出系统**非线性空时码设计 124 6.3.1 **非线性空时结构 124 6.3.2 正交化等效多输入多输出信道 127 6.3.3 **多维星座设计 127 6.4 基于丢番图方程理论的整数**多维星座设计 128 6.5 性能仿真与对比分析 131 6.5.1 仿真参数设置 131 6.5.2 仿真结果分析 132 6.6 小结 135 参考文献 136 第7章 可见光通信融合照明约束的**传输技术 138 7.1 概述 138 7.2 LED色度学相关理论 139 7.3 多色可见光通信系统模型 140 7.3.1 多色波分复用模型 140 7.3.2 多色多输入多输出可见光通信模型 142 7.4 多色可见光通信系统通照参数优化 143 7.4.1 通照参数优化系统描述 143 7.4.2 通照参数优化问题建模 144 7.4.3 通照参数优化方法 146 7.4.4 数值仿真结果与分析 148 7.5 多色可见光通信系统自适应收发机设计 152 7.5.1 自适应收发机设计系统模型 152 7.5.2 自适应收发机设计问题建模 153 7.5.3 自适应收发机设计算法 156 7.5.4 数值仿真结果与分析 157 7.6 小结 159 参考文献 160 第8章 单光子可见光通信衰落信道联合检测技术 161 8.1 概述 161 8.2 基于弱湍流信道的水下单光子可见光通信系统链路模型 161 8.3 安斯科比平方根变换及其推广 163 8.3.1 安斯科比平方根变换基础理论 163 8.3.2 GAT基础理论与接收机 163 8.4 水下单光子可见光通信系统广义**似然联合检测 165 8.4.1 纯泊松噪声下的广义**似然联合检测 165 8.4.2 P+G混合噪声下的广义**似然联合检测 168 8.5 性能仿真分析 170 8.5.1 纯泊松噪声模型下的广义**似然联合检测性能仿真分析 170 8.5.2 P+G混合噪声模型下的广义**似然联合检测性能仿真分析 173 8.6 小结 175 参考文献 175 第9章 单光子可见光通信多灯芯叠加编码传输技术 176 9.1 概述 176 9.2 多灯芯结构的水下单光子可见光通信链路模型 177 9.2.1 发送端多灯芯并行传输结构 178 9.2.2 多灯芯并行传输信道 178 9.2.3 多灯芯并行传输的SPAD接收机模型 178 9.3 多灯芯并行高速传输检测技术 179 9.3.1 接收机信号处理模型 179 9.3.2 基于泊松模型的串行连续干扰消除检测算法 180 9.4 性能仿真分析 182 9.4.1 水下单光子可见光通信系统性能比较 183 9.4.2 接收机快速迭代收敛特性研究 187 9.5 小结 187 参考文献 188 第10章 可见光通信高速实验系统 189 10.1 概述 189 10.2 室内可见光通信多用户高速接入实验系统 189 10.2.1 系统���成 189 10.2.2 网络功能 190 10.2.3 测试结果 191 10.3 高速高密度阵列可见光通信实验系统 193 10.3.1 系统描述 193 10.3.2 大规模阵列信道模型和干扰**方案 195 10.3.3 51.2Gbit/s高速可见光通信实验系统 198 10.3.4 500Gbit/s高速可见光通信实验系统 204 10.4 小结 206 索引 207