論文題目：波束域大規模MIMO光無線通信理論方法研究
摘要：在各類智能終端大范圍普及的現代社會,伴隨著云虛擬現實、物聯網工業自動化、遠程全息無人系統、數字孿生體域網等新型技術的出現和發展,無線通信業務需求已經呈現出爆炸式增長的態勢。然而,日益緊缺的傳統射頻頻譜資源已經無法滿足急劇增長的數據傳輸速率需求。此時,光無線通信以其得天獨厚的優勢嶄露頭角,能夠提供豐富的頻譜資源、支持超高速的數據速率、滿足未來移動通信高速業務場景需求,是一種極具潛力的無線傳輸技術。但是,光無線信道的高相關性以及強度調制與直接檢測的限制,阻礙了光無線通信系統速率的進一步提升。為了解決這些問題,本論文開展波束域大規模MIMO（Multiple Input Multiple Output）光無線通信理論方法研究,提出利用光纖微透鏡的光無線通信系統架構,并在此基礎上提出波束域大規模MIMO-OFDM（MIMO-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）光無線傳輸方法。首先,本論文提出利用光纖端口的光學天線設計并建立信道模型?；趲缀喂鈱W與波動光學,分別推導了光纖微透鏡的光線方程與光線變換矩陣,提出光纖微透鏡規格參數的設計方法,用于調整光纖端口發出光束的遠場發散角度。進而,利用光纖端口陣列以及發射透鏡設計光學天線,生成不同方向的多個光波束,實現對通信區域的全光束覆蓋。在此系統架構下,分析從發送端到接收端的光傳輸信道增益,建立信道模型。光學仿真結果表明,所設計的光纖微透鏡可以顯著擴大光束的遠場發散角,基站利用光學天線可以有效提高不同光束的空間分辨率,同時實現對通信區域的全光束覆蓋。然后,本論文提出波束域光大規模MIMO-OFDM下行傳輸方法。針對光無線通信系統的下行鏈路,提出大規模MIMO-OFDM光無線傳輸系統架構。在此系統中,設計發送預編碼,從而最大化系統和速率,并提出低復雜度的波束調度與功率分配（Beam Scheduling and Power Allocation,BSPA）算法。之后,針對OFDM系統中發送信號峰均比過高的問題,提出峰均比約束下的最大化和速率優化問題,通過利用序貫參數凸近似法求解該非凸問題,提出峰均比約束下的最大化和速率預編碼設計方法,同時設計低峰均比的BSPA算法。數值仿真結果表明,兩種最大化和速率預編碼均具有優異的性能,而在峰均比約束條件下,基于BSPA算法的預編碼性能也優于常用的最大比發射預編碼與正則化迫零預編碼。最后,本論文提出波束域光大規模MIMO SC-FDMA（Single-Carrier Frequency Division Multiple Access）上行傳輸方法。針對上行鏈路對峰均比性能敏感的問題,對射頻通信中的DFTS-OFDM（Discrete Fourier Transform Spread OFDM）技術進行改造并應用于光無線通信系統中,提出利用DFTS-OFDM的光SC-FDMA傳輸方法。為了進一步提高系統的峰均比性能,對OQAM-OFDM（Offset Quadrature Amplitude Modulation OFDM）技術進行光域改造,以滿足光無線通信系統的需求,通過添加共軛對稱子載波和循環前綴,設計利用CP-OQAM-OFDM的光SC-FDMA傳輸方法。數值仿真結果表明,兩種傳輸方法均具有優于OFDMA的峰均比性能,其中,利用CP-OQAM-OFDM的光SC-FDMA傳輸方法的峰均比性能最優。
關鍵詞：光無線通信;MIMO-OFDM;預編碼;峰均比;SC-FDMA
學科專業：通信與信息系統
摘要
Abstract
符號說明
英文縮略詞
第一章 緒論
1.1 研究背景
1.2 研究現狀
1.2.1 光無線通信技術的研究現狀
1.2.2 MIMO技術在光無線通信中的應用
1.2.3 OFDM技術在光無線通信中的應用
1.3 論文工作與章節安排
第二章 利用光纖端口的光學天線設計與信道建模
2.1 引言
2.2 利用透鏡的MIMO光無線通信系統架構
2.3 光纖微透鏡設計
2.3.1 光纖微透鏡的光學參數分析
2.3.2 光纖微透鏡的尺度參數設計
2.4 光學天線設計
2.5 光信道增益
2.6 光學仿真
2.7 本章小結
2.8 附錄
2.8.1 定理 2.1 的證明
2.8.2 定理 2.2 的證明
第三章 波束域光大規模MIMO-OFDM下行傳輸方法
3.1 引言
3.2 DCO-OFDM下行傳輸方法
3.2.1 DCO-OFDM系統模型
3.2.2 下行傳輸設計
3.3 總功率約束下最大化和速率的線性預編碼設計
3.3.1 MRT/RZF預編碼
3.3.2 最優預編碼設計
3.3.3 低復雜度算法設計
3.4 常見的峰均比降低技術
3.4.1 信號預失真類技術
3.4.2 非信號失真類技術
3.4.3 矩陣變換類技術
3.5 峰均比約束下最大化和速率的線性預編碼設計
3.5.1 問題陳述
3.5.2 最優預編碼設計
3.5.3 低復雜度算法設計
3.6 數值仿真
3.7 本章小結
3.8 附錄
3.8.1 定理 3.1 的證明
3.8.2 定理 3.2 的證明
3.8.3 定理 3.3 的證明
3.8.4 序貫參數凸近似法
3.8.5 定理 3.4 的證明
第四章 波束域光大規模MIMO SC-FDMA上行傳輸方法
4.1 引言
4.2 利用DFTS-OFDM的傳輸方法
4.2.1 DFTS-OFDM系統模型
4.2.2 上行傳輸設計
4.3 利用CP-OQAM-OFDM的傳輸方法
4.3.1 OQAM-OFDM系統模型
4.3.2 CP-OQAM-OFDM系統模型
4.3.3 上行傳輸設計
4.4 數值仿真
4.5 本章小結
第五章 總結與展望
5.1 全文總結
5.2 進一步研究方向
參考文獻
致謝