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| 編輯推薦： |
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本书以可见光通信系统中的调制技术为中心，结合可见光通信中存在的问题和应用需求，展开了相应研究工作，适合高校和科研院所信息与通信工程等专业的师生以及通信领域的技术人员阅读参考。
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| 內容簡介： |
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本书以可见光通信系统中的调制技术为中心，结合可见光通信中存在的问题和应用需求，展开了相应的研究工作。针对可见光通信低接收门限的需求，研究了可见光通信中传统光OFDM的性能优化方案；针对可见光通信高频谱效率的要求，提出了一种高频谱效率的分层ACO-OFDM调制方案；针对可见光通信需要与照明兼容的问题，提出了亮度可调的可见光通信调制技术，并研究了多光源可见光通信系统中的调制技术；针对可见光通信高复杂度的问题，提出了接收机低复杂度的解映射算法。
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| 關於作者： |
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王琪，2016年毕业于清华大学电子工程系，获工学博士学位，并获得清华大学优秀博士毕业生。2014年至2015年曾赴英国剑桥大学访问，2016年至2017年在英国南安普顿大学做博士后研究。2017年9月起在华为终端有限公司任高级工程师。主要研究方向为无线通信和可见光通信，在国际期刊发表SCI收录论文三十余篇，出版英文专著《Visible Light Communications: Modulation and Signal Processing.》，由WILEY-IEEE PRESS发行，入选IEEE数字和移动通信系列丛书。担任多个IEEE会议的技术程序委员会委员，以及IEEE Access的Associate Editor。
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| 目錄：
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第1章 引言 1
1.1 可见光通信发展概述 1
1.2 可见光通信调制技术 4
1.2.1 单载波调制 4
1.2.2 多载波调制 7
1.2.3 颜色调制 9
1.3 主要工作及贡献 10
1.4 本书内容 13
第2章 可见光通信中传统光 OFDM 性能优化 15
2.1 传统光 OFDM 15
2.1.1 DCO-OFDM 15
2.1.2 ACO-OFDM 和 PAM-DMT 17
2.1.3 HACO-OFDM 18
2.2 自适应光 OFDM 19
2.2.1 缩放因子计算 21
2.2.2 直流偏置计算 22
2.2.3 仿真结果 22
2.3 HACO-OFDM 迭代接收机设计 25
2.3.1 迭代接收机设计 25
2.3.2 功率分配策略 28
2.3.3 仿真结果 29
2.4 本章小结 34
第3章 高频谱效率的可见光通信调制技术研究 35
3.1 研究背景 35
3.2 分层 ACO-OFDM 37
3.2.1 分层 ACO-OFDM 发射机 37
3.2.2 分层 ACO-OFDM 接收机 40
3.2.3 性能分析 42
3.2.4 复杂度分析 44
3.2.5 仿真结果 44
3.3 改进的接收机设计 47
3.3.1 改进的接收机设计 47
3.3.2 仿真结果 50
3.4 本章小结 53
第4章 亮度可调的可见光通信调制技术研究 54
4.1 研究背景 54
4.2 非对称混合光 OFDM 57
4.2.1 AHO-OFDM 57
4.2.2 仿真结果 60
4.3 基于多层 ACO-OFDM 的可调光 OFDM 63
4.3.1 DO-OFDM 63
4.3.2 仿真结果 66
4.4 本章小结 68
第5章 多光源可见光通信系统中的调制技术研究 70
5.1 RGB 型白光 LED 通信系统的接收端预失真算法 70
5.1.1 研究背景 70
5.1.2 系统模型 71
5.1.3 预失真算法 72
5.1.4 仿真结果 75
5.2 基于 MIMO-OFDM 的多用户可见光通信系统 80
5.2.1 研究背景 80
5.2.2 系统模型 81
5.2.3 基于 MIMO-OFDM 的多用户可见光通信 82
5.2.4 预编码设计 83
5.2.5 仿真结果 87
5.3 本章小结 90
第 6 章 低复杂度可见光通信编码调制系统研究 92
6.1 基于 APSK 的可见光通信编码调制系统 92
6.1.1 APSK 星座映射 93
6.1.2 解映射算法 94
6.2 低复杂度解映射算法 95
6.2.1 PAM 解映射 97
6.2.2 QAM 解映射 98
6.2.3 PSK 解映射 98
6.2.4 APSK 解映射 100
6.3 仿真结果 108
6.4 本章小结 111
第7章 总结与展望 112
7.1 总结 112
7.2 展望 114
参考文献 116
附录 A 引理 6.2 的证明 132
附录 B 不等式 (6-11) 的证明 135
附录 C 引理 6.3 的证明 136
在学期间发表的学术论文与研究成果 137
致谢 140
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| 內容試閱：
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导师序言
近年来随着智能终端的高度普及和移动数据流量的大幅增长，通信频谱资源日渐紧张，亟待开拓新频段缓解此问题。可见光频段具有丰富的非授权频谱资源，且目前在照明和显示方面应用广泛的LED 能够作为可见光信号的发射器，因此可见光通信逐渐受到学术界和工业界的关注。除了上述优势外，可见光信号无法穿透墙壁等障碍物，因而具有高信息私密性；另外，可见光通信不会产生电磁干扰，因而在医院和矿井等电磁敏感的场景下具有得天独厚的优势。后，可见光通信可以利用已有的照明用LED设施进行通信，接入成本低；且LED 可同时进行照明和通信，节能环保。综上，可见光通信将在未来移动通信中扮演重要角色，具有广阔的应用前景。
为了实现高速可靠的可见光通信链路，需要解决如下几个问题：首先，可见光通信路径损耗大，且依赖直射径，导致覆盖范围小，应降低可见光通信系统接收门限，提升系统误码性能，扩大信号覆盖范围；再者，可见光通信可用带宽受限于收发机所用光学器件，需提出高频谱效率的调制方法；另外，在实际应用中，可见光通信系统应兼容LED 照明功能，且确保收发端低运算复杂度。针对上述问题，本书从以下五个方面展开研究：
(1) 由于不同的DCO-OFDM 符号对应的信号统计分布不同，采用固定的缩放因子和直流偏置无法充分利用LED 的线性范围。为解决这一问题，本书根据不同DCO-OFDM 符号对应信号的统计分布，自适应地调整缩放因子和偏置系数，更加充分地利用LED 的线性工作区，提升系统接收性能；此外，对于HACO-OFDM 系统，本书提出一种迭代接收机结构，在时域通过迭代逐渐消除噪声和信号间干扰对信号质量的影响，改善接收性能。以上两种算法的提出有效降低了可见光通信系统接收门限，为长距离、高质量可见光链路的实现提供了理论基础。
(2) 本书提出了分层ACO-OFDM 调制方案，将子载波分为若干层，每一层均使用ACO-OFDM 调制，同时传输信息。分层ACO-OFDM 相对传统ACO-OFDM 有效提升了频谱效率，并保证ACO-OFDM 的高能量效率优势。本书还进一步提出了分层ACO-OFDM 的改进接收机设计，借助ACO-OFDM 时域信号的反对称特性，降低噪声影响，提升接收性能。分层ACO-OFDM 方案的提出获得了学术界的普遍关注，实现了高频效、低能耗的可见光信号传输，克服了可见光发射端器件带宽和功率受限的问题，有力地推动了可见光通信商业化。
(3) 在LED 照明亮度发生变化时，传统光OFDM 无法充分利用LED的线性工作区，从而会产生性能损失。为解决这一问题，本书将ACO-OFDM 和PAM-DMT 信号巧妙叠加，提出非对称混合光OFDM 方案，在很大的亮度范围内实现高质量通信，并能在低照明亮度下相比现有方法获得可观的频谱效率增益。非对称混合光OFDM 能够在进行可靠通信的同时支持照明亮度的大范围变化，实现了LED 照明设施和可见光通信系统的高效协作和有机融合。
(4) 本书对多光源可见光通信调制技术进行研究。针对RGB 型白光LED 作为发射机，红、绿、蓝三色支路信号置信度不同的问题，为采用RGB 型白光LED 的通信系统提出一种接收端预失真方法，在预失真模块中对不同置信度信号予以不同权重，以获得系统性能增益；此外，在高传输带宽下，多灯多用户可见光MIMO 系统中不同长度链路对应的传输延时差异会导致频域不同子载波相位差异，且不可忽略。针对此问题，为多用户MIMO-OFDM 系统提出预编码方案，提升系统性能。以上两种算法从信号收发端预处理出发，为实际多光源、多用户场景下可见光网络的物理层搭建提供了可行的方案。
(5) 本书提出基于APSK 的可见光通信系统，并加入信道编码以确保实际系统中光信号的可靠传输。APSK 调制可以提供可观的成型增益，当使用软判决译码时，相较于传统QAM 调制能够获得性能增益。进一步，针对传统解映射算法复杂度过高的问题，本书考虑使用格雷星座点映射，利用其对称和可分解的结构特点，提出一种低复杂度解映射算法，在降低复杂度的同时保证了系统接收性能。以上研究为可见光通信实际编码调制系统的搭建提供了有力参考，有望通过低复杂度译码缓解高速通信系统中译码高延时的瓶颈问题，进而推动可见光通信商业化进程。
王昭诚
清华大学电子工程系
2020 年6 月
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