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近年来,以发光二极管(LED,light-emitting diode)为代表的新型绿色照明技术蓬勃发展,因其低功耗、低成本、耐用度高的特性受到广泛关注,并催生了基于LED的可见光通信技术(Visible Light Communications,VLC)。VLC利用LED的高速闪烁,为室内短距离通信链路同时提供照明和通信功能。考虑到VLC高速通信需求和LED调制带宽受限之间的突出矛盾,研究VLC系统中的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)调制技术具有重要意义。论文选题来源于华为创新基金项目“可见光通信原型系统和关键技术研究”(项目编号:A2015264)和北京邮电大学优秀博士创新基金项目“中继协助的上行VLC-OFDM通信技术研究”(项目编号:CX2016313)。本文围绕VLC系统中的OFDM技术(后文统称为光OFDM技术),为实现高速可靠的VLC研究了高频谱效率的光OFDM技术。在此基础上进一步考虑可见光照明特性,研究与照明功能兼容的光OFDM技术以及保障人眼安全的上行光OFDM技术。论文具体研究内容如下:首先,针对VLC系统中光OFDM技术频谱效率损伤问题,提出了基于μ律压扩的μ-OFDM技术。μ-OFDM研究了 OFDM信号的频域子载波映射算法以得到快速傅里叶反变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)后具有对称性的时域信号。接着,μ-OFDM进一步通过实部虚部分离得到实的OFDM信号。同时,改进的μ律压扩将被应用于该VLC系统以输出具有低峰均比特性的LED驱动信号。本文通过理论分析证明相比于传统能量高效的OFDM技术,基于μ律压扩的OFDM技术频谱效率更高;通过仿真验证证明相比于传统频谱高效的OFDM技术,基于μ律压扩的OFDM信号峰均比更低,从而获得了更低的削峰噪声以及更高的能量效率。其次,针对单光源系统中OFDM与LED照明功能兼容问题,提出了亮度可调的增强型直流偏置光OFDM(enhanced Direct Current Biased Optical OFDM,eDCO-OFDM)。eDCO-OFDM 利用多个缩放因子依据光功率自适应放大/缩小OFDM的正值和负值以充分利用LED的动态范围,从而达到有效提升接收端信噪比以及系统能量效率的目的。本文通过Bussgang定理研究eDCO-OFDM的削峰噪声,并以不同的计算复杂度代价研究得到最优eDCO-OFDM(optimal eDCO-OFDM,op-eDCO-OFDM)与次优的快速 eDCO-OFDM(fast eDCO-OFDM,fa-eDCO-OFDM)两种自适应缩放因子方案。op-eDCO-OFDM以较高的计算复杂度为代价获得最优化的可靠性能。fa-eDCO-OFDM以极低的计算复杂度代价有效缓解光功率限制下削峰噪声损伤通信性能的难题,从而实现优于DCO-OFDM的可靠性能。再次,针对多光源系统中OFDM与LED照明功能兼容的问题,研究利用空域资源进行调光的OFDM技术。针对LED密集部署的OFDM系统,提出了改变LED空间状态实现调光的空间调光OFDM(Spatial Dimming OFDM,SD-OFDM)技术。SD-OFDM 相比模拟调光可有效降低色散偏移,相比数字调光具有更低的实现复杂度,从而实现了更好照明与通信性能。针对LED分散部署的OFDM系统,提出了利用LED空间状态信息同时调光和传输有用信息的混合调光OFDM(Hybrid Dimming OFDM,HD-OFDM)技术。HD-OFDM 通过研究发送端LED的映射准则在改变LED空间状态的同时保障室内照明均匀性;通过提出最大后验概率接收机有效避免迫零均衡对信道噪声过分放大的问题。仿真结果表明,在光功率限制下HD-OFDM利用散布LED的空间自由度可以在相同BER限制下获得比基于重复编码和空间复用的OFDM技术更高的通信速率。最后,针对基于VLC的上行OFDM技术人眼安全问题,提出基于中继的上行光OFDM调制技术。通过性能分析,本文首先研究基于AF和DF中继的OFDM系统模型。通过对源节点以及中继节点的削峰噪声进行理论分析,得到基于AF与DF中继的OFDM系统接收端有效信噪比。通过构建最优化问题并利用穷举法求解,得到了基于AF和DF中继的OFDM系统中最小化源节点光功率的最优算法。针对最优问题的复杂性以及穷举法的局限性,通过对最优化问题化简以及参数变换得到低复杂度的次优算法。基于仿真与数值结果,本文证明中继上行光OFDM技术可以在保障用户人眼安全前提下利用室内常用灯源实现可靠上行通信。同时,结果还表明所得次优算法性能可以有效趋近最优算法,从而实现了低复杂度的安全上行通信。