基于MIMO的可见光通信网络链路生存性问题研究

基于MIMO的可见光通信网络链路生存性问题研究随着互联网的快速发展,人们对通信速率和带宽的需求日益提高。

然而传统的射频(Radio Frequency,RF)频谱资源紧缺,无法满足未来不断增长的数据流量需求。

可见光通信(Visible Light Communication,VLC),是一种基于发光二极管(Light Emitting Diode,LED)的无线通信技术,能够同时实现照明和通信的功能。

由于LED光源具有节能、环保、价格低廉、稳定性高的优点,目前已经受到专家和学者的广泛关注与研究。

由于光的直线传播特质,使得可见光通信的信道与传统的射频通信有所不同。

可见光通信的链路生存性,主要指的就是系统面对遮挡或者光源故障时的应对能力。

此外,由于单个LED照明的覆盖范围和信道容量仍是有限的,无法完全满足
室内通信和照明需求。

而无线通信领域中的多入多出技术(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO),通过在发送端采用多个发送天线,相应的在接收端也采用多个接收天线,使待传递的信息分别由多个天线发送和接收,充分利用了空间
资源,由于使用了多个空间子信道,而未占用额外的频谱资源,使得系统整体的容量相应增加。

因此,在可见光通信中应用MIMO技术,采用多个LED灯组联合传输的方式,
既扩大了其照明范围,同时成倍提高了信道容量,较好地满足了室内可见光通信
和照明的需求。

在基于MIMO-VLC的链路生存性问题中,如何通过有效的措施来减弱遮挡及光源突发故障带来的通信和照明质量的下降是本论文的研究目的。

目前针对遮挡问题最常用的方法是利用墙壁反射或者中继器转发,这种方法
对墙壁的材质或者中继器的安装位置有特殊的要求,只能应用于特定场合。

而在抗光源故障问题中,目前没有比较完整的解决方案,但已有一些调光控制手段,改善室内照明环境。

因此本论文针对上述两个问题进行了研究并提出相应的解决方案。

本论文的创新性工作主要包括以下两个方面:·提出了一种基于随机交织的MIMO-VLC抗遮挡机制。

在VLC通信系统中,由于可见光对障碍物遮挡非常敏感,在数据通信的过程中,信道容易因遮挡导致通信质量下降甚至通信中断,这样的情况下如何恢复通信,以及如何高效地进行通信,是本论文关心的问题。

传统的抗遮挡方法一般是利用墙壁反射或者中继器转发信息,这对于墙壁的材质或者中继器的安装位置有特殊的要求,因此灵活性较差。

本论文提出的方案利用随机交织技术,将编码后的信息进行随机离散化处理,分别由多个LED发送出去,从而将由遮挡导致的连续突发差错转化为离散的随机差错,结合纠错编码技术,在接收端能够无失真地解调出原始信息。

和传统的中继器转发比较,该方案的灵活性较好,对环境没有额外要求。

实验结果表明,采用4×4 MIMO-VLC系统,传输距离为0.6m的情况下,达到了3.7*10-4的误码率,能够满足基本的通信需求。

·提出了一种基于自适应调光的MIMO-VLC抗故障机制。

在已有的可见光通信技术研究中,对光源故障研究的还比较少。

当某些LED 发生故障时,会导致该链路信息丢失,同时对照明环境产生较大影响。

这与之前提到的抗故障有所不同,无法通过已有的技术予以解决,而是需要系统具备自适应的调节能力,以实现通信和照明的继续进行。

这里存在两个技术
难点:一是如何将发生故障的LED要传输的数据分配给其他支路,在不影响其他支路的通信的前提下,还能够将原始信息和叠加信息区分开来;二是在室内照明环境变化的前提下,如何调整照明参数,使得照度保持在一个相对稳定的水平。

这两个难点是通过本论文提出的基于自适应调光的MIMO-VLC抗故障机制来解决的。

仿真和实验结果表明,该系统能够恢复通信传输且对照明表现有一定的改善,在传输距离为0.6m的情况下,达到了3.3*10-3误码率。