基于mimo的vlc通信系统综述

基于mimo的vlc通信系统综述

0mimo系统的研究vlc（可见通信）技术已成为未来无线通信发展的研究领域，具有广阔的应用前景。MIMO(多输入多输出)技术采用多个发射机发送数据,同时采用多个接收机接收数据,可以提高信道的容量可靠性。基于MIMO技术的优势,MI-MO技术成为近年来的研究热点,已经广泛应用于射频通信,如3G、4G无线通信等领域。但是,目前结合可见光和MIMO技术的综合性研究比较少,还处于探索研究阶段。与射频系统相似,采用MIMO技术并行传输数据可以提高VLC的性能,如成倍地提高系统容量和可靠性,以及解决发射机和接收机对齐问题。国际上对光通信MI-MO系统的研究有MSD(多点漫射)-MIMO、像素化MIMO、非成像MIMO和成像MIMO系统,而VLC系统的研究主要集中在成像MIMO系统。本文分析了光通信中MIMO建模和技术,总结了各种MIMO模型的优缺点,可作为深入理解和进一步研究可见光MIMO通信技术的基础。1信号传输环境因素可见光MIMO通信系统框图如图1所示。系统对原始的二进制数据流进行预处理和编码调制后,把电信号转换成光信号,进行传输。对于信道部分,由于信号从发射机到接收机的路径不止一条,MIMO通信信道会受到多径效应和信道衰落的影响,多径效应会使系统产生码间串扰,室内光信道特性稳定,而室外光信道容易受到环境的影响。接收机采用光电检测器检测信号,并将光信号转换成电信号,再利用信号处理技术恢复出原始信号。1.1msd-mi-系统多单元的了MSD-MIMO系统是一个混合的配置,它结合了漫射和视距链接的特性,以发挥它们的优势。文献介绍了使用漫射传输配置的室内无线光链接的MIMO特性,漫射光链接需要精确的信道模型,如图2所示的MSD-MIMO链接阻塞模型。这种系统不需要发射机和接收机之间的严格对齐,因此可以抵抗由于阻塞引起的链路损失。在MSD-MIMO配置中,发射器发射多个可以照亮小区域的窄波束,光信号被多单元方向分集接收器接收。若设计适当,MSD-MIMO链接实际上是不受多径信号失真影响的,因为信号功率的大部分通过单一路径接收。由于MSD-MIMO链接是使用房间天花板或者墙面的漫射,所以要求的功率相对较高。关于MSD-MIMO系统中的接收器,设计的关键是确保较大的视场,同时维持高质量的成像。在MSD-MI-MO系统中,总的接收器视场必须足够大以覆盖多个漫射点,确保在部分漫射点阻塞的情况下,通信不中断。另一方面,为了获得更好的光噪声抑制,接收器视场应该尽可能窄,以允许使用较窄频谱宽度的光滤波器。1.2无线紫外光系统模型P-MIMO(像素化MIMO)无线光信道,即点到点的MIMO光信道,使用二维光发射器阵列形成编码成像序列来传输高速率数据,图像被成像检测器检测。二维光强度信道在许多应用中存在,包括全息图像存储、面向页的存储器、光互连、二维条码以及MIMO无线光链接等。图3所示为P-MI-MO无线光通信系统模型图。发射器是空间光调制器,它产生被电域寻址控制的输出光强度空间分布。传输图像幅度要受到以下限制:发射信号的光强度有非负限制;平均图像幅度的上界受到平均光功率的限制。接收器定向捕获发射器图像,产生一个代表撞击器件上光功率空间分布的输出电信号,采用适当的镜片在检测器阵列表面形成聚焦的图像。传输和检测包含几百万像素的一系列图像是一项很有前途的技术,可以提供很高速率的短距离无线光链接。通过利用大量发射器和检测器像素之间固有的空间自由度,像素化无线光信道可以实现频谱效率增益。由于其非常高的频谱效率,像素化无线光链接对于短距离室内光通信是有前途的。像素化无线通信也可以应用在VLC中。1.3nivlc-mimo系统NIVLC-MIMO系统的几何形状是基于文献的。系统有NT个LED(发光二极管)发射器和NR个接收器。来自每一个LED阵列的光信号发送并行独立的数据流,且都被独立的接收器接收,但所接收的强度不同。独立的数据流用MIMO信号处理技术获取。图4所示为4×4NIVLC-MIMO系统模型图。NIVLC-MIMO系统的原理框图如图5所示。系统输入是串行传输的数据流,它被转换为大量的并行数据流,数目与发射器数目一致。光从每一个LED传播到接收器,通常有两种形式的传播,每一个LED都由视距部分传播到接收器,在空间也有来自表面反射传播的漫射部分。1.4iiilc-mimo系统介绍由于使用非成像来设计光MIMO系统时,在理论上得到的是对称的信道矩阵H,而不是可逆的矩阵,这被认为是不实际的,所以提出使用成像分集光MIMO系统。使用非成像单元来实现角度分集需要对每个接收单元采用分离的聚光器,非常笨重,成本也很高。使用成像棱镜的角度分集接收机相比使用非成像有两个好处:(1)所有的光电检测器共享一个聚光器,减小了设计尺寸,降低了成本;(2)所有的光电检测器可以放置在单个平面阵列上,有利于大量接收单元或者像素的使用。图6所示为IVLC-MIMO系统模型图。一个成像接收器在几何空间受到限制时,也能够从空间任何位置的发光单元中完全解码数据。成像接收机代替了非成像设备,保证H矩阵可逆。IVLC-MIMO系统的原理框图如图5中虚线框所示。检测器阵列上的每个像素就是一个接收机信道,通过测量每个像素与每个LED阵列发射机之间光学连接特性的H矩阵(MIMO处理),接收到的信号能够被分离开来。在接收到信号之后,矩阵H的逆矩阵与接收信号相乘,得到对发射信号的估测值。完成对发射信号估测之后,对信号进行低通滤波和均衡处理。然后将数据流合并以产生单个的接收数据流,这个数据流用来与发送的数据流相比以获得差错率。利用可见光LED进行并行通信传输,速率达到Gbit/s量级是可行的,高数据速率通信采用的是MIMO-OFDM(正交频分复用)。2iiilc-mi-多通道通信系统在理想情况下,能够利用MSD系统来进行VLC,但在实际中由于存在阻塞问题而导致接收机接收到的信号强度很弱,以致无法恢复出原始信号。MSD系统应用于实际环境需要发射机的功率足够大。P-MIMO容易因遇到障碍物而使通信受阻,可以结合MSD系统来设计性能更可靠的系统,该系统适用于图像传输和图像检测。NIVLC-MIMO存在信道矩阵不是满秩的问题,无法真正恢复出原始信号,因此不能够实际应用,进而提出了IVLC-MI-MO,以解决信道矩阵不是满秩的问题,同时降低系统设计的复杂性。当前的研究主要集