Optimization of Modulation Scheme in Visible Light Communication

摘要

无线光通信(OWC)有可能成为频谱短缺的补救方案，尤其是OWC能够使无线家庭网络从现有的射频系统分流数据流量。在OWC中，通过调制光源强度发送数据，光源通常是非相干发光二极管(LED)。因此，OWC系统使用强度调制(IM)与直接检测(DD)光载波。由于现成的LED产品调制能力有限，实际OWC系统的传输带宽受限，可用带宽必须高效地使用。
　　论文的目标是开发一种新的调制方案，较好地适用于区间干扰(ICI)环境，大幅改善信道容量和误比特率性能。本方案也可以与现有调制方案结合，提高系统性能。本文提出的方案适合改善系统的带宽、传输容量和功率效率，精确地提供了最大的覆盖区域。
　　接收功率是改善BER、信道容量、数据速率和覆盖区域的重要因素，本文考察了接收功率、距离与覆盖区域之间的关系，通过考虑必需的接收功率和最小干扰，发现了LED覆盖室内最大区域的正确位置。最大的覆盖面积可以是小区间ICI的原因，恶化了系统容量和BER性能。本文使用不同的正交脉冲(DOP)，提出了一种信令方案抵消小区边缘处来自邻区的干扰功率。利用接收机匹配滤波器端的正交函数，可以容易地抵消干扰功率。使用哈达玛编码矩阵(HCM)可以生成正交脉冲(OP)，每个小区可以使用不同的DOP。高阶HCM可以生成大量的OP，但需要高带宽LED。OP数受高带宽LED的可用性的约束。因此，通过在室内某个距离上重用OP(ROP)可以使OP数最小化，减小了更多带宽的使用，也降低了接收机、发射机的复杂度。高带宽脉冲产生高容量，低带宽脉冲产生低容量，对不同的小区，信道容量并不类似，因此，容量由使用发射功率来维持。本文推导和比较了DOP、ROP和NOP在无干扰条件下，要维持所需信道容量的最优功率。干扰也依赖于使用同一信令方案的不同小区间的距离。在NOP方案中，本文使用同一信号，在室内所有小区带宽相同。发射功率允许在每个活动的物理资源块(PRB)独立分配，该PRB已被分配给网络中的用户。因此，执行动态还是固定功率分配，取决于室内特定位置的干扰功率。结果表明，使用OP，特别是在室内干扰区域，BER和容量性能显著提高。
　　该方案已与现有基带调制方案结合，如脉位调制(PPM)、差分PPM(DPPM)、差分幅度PPM(DAPPM)、多PPM。通过与现有方案结合，显著提高了谱效率、传输容量和带宽效率。
　　本文也研究了更高阶的调制，将HCM映射成比特，提高了传输容量，而无需增加发射功率。尤其是在多区环境中的干扰区域，数据速率显著提高。本文也推导了信噪比(SNR)，以在小区间提供相似的容量分布，在室内高干扰区达到最优的数据速率。本文给出了BER和容量性能的理论与仿真结果，比较了小区中OP的三种安排方式:所有小区使用不同组的OP(DSOP)，所有小区使用同一组OP(SSOP)，室内对角线上的小区重用OP(ROPD)。与ROPD和SSOP相反，尤其是在高干扰区，达到所需数据速率，DSOP需要更少的功率。

目录

声明

摘要

ABSTRACT

ACKNOWLEDGMENTS

TABLE OF CONTENTS

LIST OF TABLES

LIST OF FIGURES

SYMBOLS

ACRONYMS AND ABBREVIATIONS

CHAPTER．1 Introduction

1．1 General

1．2 Challenges

1．3 Motivation

1．4 Literature Review

1．5 Contribution

1．6 Organization of the Thesis

CHAPTER．2 Visible Light Communication System Model

2．1．Introduction

2．2．Transmitter Model

2．3．Receiver Model

2．4．Channel Model

2．4．1．LOS Case

2．4．2．NLOS Case with LOS

2．4．3．Bounce Channel Model

2．4．4．Channel Delay Spread

2．5．Signal to Noise Ratio(SNR)

CHAPTER．3 Coverage Area of Visible Light Communication

3．1．Introduction

3．2．Light Emitting Diode(LED)

3．3．Photo Diode

3．4．Received Power

3．5．Covered Area

CHAPTER．4 Advance Modulation Scheme for VLC

4．1．Introduction

4．2．Transmission Reliability

4．3．Pulse Position Modulation

4．4．Pulse Position and Pulse Shape Modulation(PPSM)

4．5．Multilevel PPSM

4．6．Differential PPSM

4．7．Differential Amplitude Pulse Position Shape Modulation(DAPPSM)

4．8．Differential Pulse Interval Shape Modulation(DPISM)

4．9．Theoretical Error Performance in Gaussian Channels

4．10．Transmission Bandwidth Requirements

4．11．Power Efficiency

4．12．Transmission Capacity

CHAPTER．5 Inter-cell Interference Management

5．1．Introduction

5．2．Interference Model

5．3．Analysis

5．4．Low Order Modulation

5．4．1．Channel Capacity Distribution without Interference

5．5．High Order Modulation

5．5．1．Different Set of Orthogonal Pulse(DSOP)

5．5．2．Reuse Orthogonal Pulses in Diagonal(ROPD)

5．5．3．Same Set of Orthogonal Pulses(SSOPs)

5．5．4．Optimum Data Rate

5．5．5．BER performance

CHAPTER．6 Conclusion

Reference

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