遲楠　喬梁　趙嘉琦　盧星宇

摘要

隨著燈光與光無線通信技術(shù)的結(jié)合，基于LED的可見光通信（VLC）越來越受到人們的關(guān)注.本文首先探討了可見光通信的基帶處理過程.為了提高室內(nèi)照明度，LED陣列漸漸被廣泛使用，基于此，可見光通信系統(tǒng)中基于LED陣列的MIMO技術(shù)也進入研究者的視野，因此，隨后介紹了兩種VLCMIMO機制，并介紹了空時分組編碼（STBC）在VLCMIMO系統(tǒng)中的研究進展.作為對比，最后對LTE系統(tǒng)中的物理層處理過程和多天線技術(shù)進行技術(shù)探討，并大膽預(yù)測了可見光通信基帶處理后續(xù)可能發(fā)展的方向.關(guān)鍵詞

空時編碼技術(shù)；可見光通信；發(fā)光二極管；多輸入多輸出技術(shù)

中圖分類號TP9291

文獻標(biāo)志碼A

0引言

隨著燈光與光無線通信的結(jié)合，基于LED的可見光通信（Visible Light Communication，VLC）越來越受到人們的關(guān)注.可見光通信是一種利用發(fā)光二極管（LED）發(fā)射光線的強度變化來傳遞信息的技術(shù)[12].它在照明的同時，可以提供信息的傳輸，這有利于降低網(wǎng)絡(luò)接入成本，提升資源利用率.相對于傳統(tǒng)的無線通信，VLC具有性價比高、安全性高、無需授權(quán)頻譜和抗電磁干擾等特性.因此，可見光通信被認為是5G移動通信室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的可供選擇的補充技術(shù)之一.

可見光通信技術(shù)最早由日本學(xué)者于2000年提出，他們通過仿真探討了將LED燈作為無線傳輸通信基站的可行性[3].2004年，日本在關(guān)西國際機場通過實驗驗證了10 Mb/s量級的可見光通信實驗[4].2006年，德國布來梅國際大學(xué)將正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)運用到了可見光通信系統(tǒng)，實驗驗證了技術(shù)的可行性[5].之后，來自英國的研究者們研發(fā)了一種新型的LED用于可見光通信，將可見光通信速率提升到10 Gb/s[6].美國在可見光通信方面也開展了許多項目研究.例如，賓州州立大學(xué)聯(lián)合佐治亞理工學(xué)院成立的COWA研究中心，著重于可見光通信系統(tǒng)與應(yīng)用的創(chuàng)新研究.

對于高速短距離光接入系統(tǒng)而言，需要綜合考慮系統(tǒng)的架構(gòu)、成本和尺寸以及功耗.器件方面，代表性的研究工作是加拿大麥吉爾大學(xué)的Chagnon等[7]利用pushpull 的硅基馬赫增德爾調(diào)制器，結(jié)合脈沖幅度調(diào)制（PAM）格式，實現(xiàn)了112 Gb/s的信號在單模光纖中傳輸10 km.在高譜效率調(diào)制格式方面，PAM、正交頻分復(fù)用（OFDM）、無載波幅相調(diào)制（CAP）等技術(shù)引起了人們廣泛的關(guān)注.丹麥科技大學(xué)的研究團隊結(jié)合PAM4和偏振復(fù)用技術(shù)在直調(diào)VCSEL上實現(xiàn)了100 Gb/s的信號傳輸[8].英國劍橋大學(xué)研究人員利用多帶CAP調(diào)制，在15 GHz的EML上成功實現(xiàn)了超100 Gb/s傳輸，并采用數(shù)字信號處理算法對系統(tǒng)進行了優(yōu)化[911].文獻[1213]利用DMT技術(shù)結(jié)合波分復(fù)用可以成功實現(xiàn)400 Gb/s以上的信號在單模光纖中傳輸30 km.

國內(nèi)關(guān)于可見光通信技術(shù)的研究一直到2010年才見報道.最近幾年，復(fù)旦大學(xué)、解放軍信息工程大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、華中科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、暨南大學(xué)等都在開展相關(guān)研究，在政府資金和國家重大項目的支持下，取得了蓬勃的發(fā)展.復(fù)旦大學(xué)利用RGBYLED，成功實現(xiàn)了8 Gb/s信號傳輸，這是基于商用LED的最高傳輸速率[14].

為了提高室內(nèi)照明度以及保證室內(nèi)燈光照明的全覆蓋，接收機不可避免地出現(xiàn)在多個LEDs的照明范圍內(nèi)，這將降低系統(tǒng)性能.同時，為了提高系統(tǒng)性能和傳輸速率，多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)成為了最直接的技術(shù)之一.

本文先對目前可見光通信的物理層處理過程進行探討，并介紹了目前可見光通信中MIMO的研究現(xiàn)狀，隨后對比介紹了無線通信中的物理層和MIMO技術(shù)，并對未來可見光通信系統(tǒng)中的物理層處理過程和MIMO技術(shù)提出了可實施性的技術(shù)探討.

1可見光通信物理層和MIMO技術(shù)

11可見光通信物理層過程

理論傳輸速率高是可見光通信的顯著優(yōu)點之一，但是受器件帶寬限制，特別是LED帶寬的限制，傳輸速率一直徘徊在100 Mb/s～1 Gb/s量級.

將單維的數(shù)據(jù)流傳輸變換成多維的數(shù)據(jù)流傳輸，是一種直接的成倍提升系統(tǒng)傳輸容量的技術(shù).多維多階復(fù)用的可見光通信系統(tǒng)被提及，以此提高可見光高譜效率.文獻[15]具體介紹了偏振分集復(fù)用（Polarization Division Multiplexing，PDM）、波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、頻分復(fù)用（Frequency Division Multiplexing，OFDM）以及成像（imaging）和非成像空間分集復(fù)用（Nonimaging Space Division Multiplexing，SDM）通信系統(tǒng).

來自高層的數(shù)據(jù)流通過使用不同調(diào)制方式調(diào)制成不同的調(diào)制符號，并經(jīng)過OFDM處理產(chǎn)生OFDM符號進行發(fā)送.

為了達到室內(nèi)照明規(guī)定的標(biāo)準亮度，一般采用LED陣列，這給系統(tǒng)提供了天然空間分集復(fù)用或者多輸入多輸出系統(tǒng)的硬件設(shè)施.文獻[1620]在可見光通信中引入了MIMO技術(shù).

根據(jù)收發(fā)端LED和探測器的映射關(guān)系，可將MIMO可見光系統(tǒng)分成成像MIMO和非成像MIMO.其中成像MIMO和非成像MIMO兩種MIMO技術(shù)的區(qū)別在于，成像MIMO收發(fā)機需要嚴格對準，每個LED通過成像光學(xué)器件映射到指定對應(yīng)的探測器上.因此，這種MIMO系統(tǒng)接收端簡化了接收機數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度.而對于非成像MIMO，不需要收發(fā)端嚴格對準，每個探測器都會接收到來自每個發(fā)射端LED發(fā)射的光信號，因此，在接收端需要采用相關(guān)解空分復(fù)用算法，以正確解調(diào)出信號.這種MIMO系統(tǒng)雖提高了接收端算法的復(fù)雜度，但實用性更強.

12VLCMIMO技術(shù)

121成像空分復(fù)用可見光通信系統(tǒng)

文獻[21]提出了一種成像空分復(fù)用可見光通信系統(tǒng)，圖2為2×2成像的MIMO實驗系統(tǒng).

在發(fā)射端，采用兩個RGBLED （紅光峰值波長620 nm，綠光520 nm，藍光470 nm）作為光源，可產(chǎn)生6 lm的可見光；在接收端，采用兩個APD作為接收機（APD 800 nm處的靈敏度為05 A/W）.LED和APD的3 dB帶寬分別為10和100 MHz.在接收端APD前面，放置一個直徑為76 mm、焦距為100 mm的成像透鏡，用作LED成像到特定的APD上.該實驗系統(tǒng)采用的調(diào)制格式為Nyquist SCFDE，包括QAM映射、串并變換和訓(xùn)練序列的添加、預(yù)均衡、插入CP、上采樣、濾波和上載到中頻等過程.

生成的Nyquist SCFDE信號加載到任意波形發(fā)生器（AWG）中，AWG的輸出首先經(jīng)過功率放大器放大，隨后經(jīng)過bias tee 添加直流信號，再分別用來驅(qū)動3個不同的LED芯片.經(jīng)自由空間信道和透鏡，傳輸?shù)紸PD中進行光電轉(zhuǎn)換，生成的電信號再由高速實時示波器進行采集，并將采集后的信號送入接收端數(shù)據(jù)處理模塊進行線下處理.其中，接收流程包括同步、下變頻成基帶信號、串并變換、去CP、信道估計和均衡以及并串變換等.

為了較好地對信道進行估計，文獻[21]還提出了一種時分復(fù)用的訓(xùn)練序列用于測試兩個傳輸鏈路間的串?dāng)_，如圖3所示.

因此，在成像MIMO系統(tǒng)中，接收端無需采用額外的MIMO解調(diào)算法，就可以獨立恢復(fù)出原始信號.在該系統(tǒng)信道響應(yīng)的測試過程中，采用了頻域平滑技術(shù)，結(jié)果表明，成像MIMO系統(tǒng)中空間信道間的干擾很小.

最后，將經(jīng)過預(yù)均衡的16/32QAM SCFDE信號加載到紅、綠、藍3種不同顏色的LED光上，紅光LED調(diào)制的是125MBd 64QAM信號，綠光和藍光LED調(diào)制的都是125MBd 32QAM信號，通過使用空分復(fù)用技術(shù)，紅綠藍3種顏色LED傳輸速率分別為15、125和125 Gb/s，實現(xiàn)了速率加倍的效果.兩個信道的誤碼率性能一致，經(jīng)過75 cm傳輸后誤碼率都低于38×10-3.

122非成像空分復(fù)用可見光通信系統(tǒng)

成像的VLCMIMO系統(tǒng)的優(yōu)勢是，通過光學(xué)成像方式實現(xiàn)收發(fā)端的分集復(fù)用，但是，發(fā)射機和接收機需要一一對應(yīng)，因此并不需要采用額外的數(shù)字信號處理算法進行MIMO的解復(fù)用.而其缺點和優(yōu)點一樣明顯，收發(fā)端需要嚴格的對準，這對處于移動狀態(tài)的系統(tǒng)來說是一大挑戰(zhàn)，因為傳輸距離的改變或者角度的改變，都會導(dǎo)致接收端無法正確解調(diào)出數(shù)據(jù).

非成像的VLCMIMO系統(tǒng)無需收發(fā)端嚴格對準，這在一定程度上減少了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，但代價是在接收端需要采用復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法進行MIMO的解復(fù)用，通過提升數(shù)字領(lǐng)域的復(fù)雜度來降低系統(tǒng)層面的復(fù)雜度，這種系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中更為現(xiàn)實.

與成像VLCMIMO系統(tǒng)最大的區(qū)別是，非成像VLCMIMO系統(tǒng)中的每個接收機都可以探測到來自兩個發(fā)射機的信號.為了便于驗證該系統(tǒng)，每個LED上調(diào)制的是125MBd 4QAM Nyquist SCFDE信號.處理流經(jīng)過自由空間傳輸、透鏡聚光、探測器的探測以及示波器采集后的電信號處理，包括同步、下變頻、移除CP和頻域均衡.其中MIMO的解復(fù)用和信道均衡通過訓(xùn)練序列同時完成.訓(xùn)練序列的設(shè)計采用式（6）.

從恢復(fù)公式可以看出，獲取的信道信息對后續(xù)的解復(fù)用和后均衡至關(guān)重要，因此采用時域平滑和頻域平滑方式來獲取更精準的信道信息.從頻域上看，每個頻點wk周圍的頻率成分都會對其造成影響，因此可以采用長度為（2m+1）、左右長度各為m的滑動窗進行平滑，具體平滑過程如下所示：

Hi（wk）=12m+1∑k+mn=k-mHi（wn）， （7）

其中Hi（wk）表示第i個訓(xùn)練序列的估計信道，m的大小可以根據(jù)信道噪聲抖動情況來選擇.另外，由于室內(nèi)空間信道是一個慢變的信道，相鄰的訓(xùn)練序列可以認為經(jīng)歷相同的信道，因此可以采用時域平滑來進一步提升信道的準確度.具體表示式為

H（wk）=1N∑Ni=1Hi（wk）. （8）

在實驗系統(tǒng)中，兩個商用的藍光LED（中心波長470 nm）作為光源，兩個APD作為接收機.其中兩個發(fā)射機的間距為5 cm，兩個接收機的間距為10 cm，收發(fā)端中心的偏置距離為25 cm.這樣的設(shè)計可以打破系統(tǒng)的對稱性，避免接收端處理的信道矩陣是奇異矩陣，導(dǎo)致信號不能恢復(fù).收發(fā)端的距離在20～50 cm之間變化.在40 cm的照度是35 lx，這遠小于標(biāo)準的照度，說明系統(tǒng)的容量和傳輸距離可以大幅提升.非成像MIMO可見光系統(tǒng)框圖如圖4所示.

仿真結(jié)果表明，兩個接收機的性能基本一致，誤碼率隨著傳輸距離的增加都會下降.但是經(jīng)過40 cm傳輸后誤碼率的性能可以低于硬判決閾值38×10-3.

針對VLCMIMO和VLCSISO的情況.其中MIMO情況下，每個空間鏈路傳輸125MBd 4QAM Nyquist SCFDE信號，總速率為500 Mb/s；在SISO情況下，傳輸125MBd 16QAM Nyquist SCFDE信號，總速率也為500 Mb/s.在相同傳輸速率的前提下，MIMO的誤碼率性能較優(yōu).

通過合理安排收發(fā)機的位置，可以很好地驗證非成像MIMO在可見光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用.這種位置的安排只需要打破系統(tǒng)的對稱性即可，不同于成像MIMO系統(tǒng)中要求的精準.通過采用基于時分復(fù)用的訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)，就可以在接收端對信號進行恢復(fù)，通過頻域平滑和時域平均，可以進一步提升系統(tǒng)的性能.

2基于STBC的VLC MIMO技術(shù)

文獻[22]將空時分組編碼（SpaceTime Block Code，STBC）技術(shù)運用到了VLC MIMO系統(tǒng)中.經(jīng)過STBC后星座圖的發(fā)送端和接收端如圖5所示.

傳輸信號分別經(jīng)過4QAM 和 16QAM調(diào)制后，接收信號分別變成了9QAM 和 49QAM.這是因為接收的信號是兩個發(fā)送信號經(jīng)過STBC編碼的累和.

文獻[22]使用STBCOFDM編碼技術(shù)提出了一種多輸入單輸出（Multiple Input Single Output，MISO）的VLC技術(shù)，通過RGBLEDs上的紅燈發(fā)送有用信息，并使用OFDM和16QAM調(diào)制方式用以提高數(shù)據(jù)速率.

此外，結(jié)合預(yù)均衡和后均衡技術(shù)可以較好地解決LEDs燈的非平坦頻率響應(yīng).在5 m的自由空間傳輸系統(tǒng)中，傳輸速率達到了500 Mb/s，誤碼率（BER）低于1×10-5.

在MISO系統(tǒng)中，Alamoutis STBC機制[22]被運用，其空時編碼表達式為

在MISO系統(tǒng)中，接收機接收到的最終數(shù)據(jù)是y1（t）和y2（t）的累和.

圖6為分別采用4QAM、16QAM以及9QAM和49QAM調(diào)制之后BER和SNR的仿真.由圖6可以分析看出，考慮到接收靈敏度的高要求，高階的QAM調(diào)制很難在系統(tǒng)中應(yīng)用.

具體實現(xiàn)流程為：驅(qū)使信號由AWG （Tektronix AWG710）產(chǎn)生并通過Matlab線下處理，將信號進行預(yù)均衡和放大之后，與直流電流通過bias Tee合并傳輸?shù)絉GBLEDs燈上.其中，LED1和LED2燈分別通過紅光傳輸信號，藍光和綠光關(guān)閉.在發(fā)射機的前面，通過使用高靈敏度硅APD合并透鏡用于探測光信號.透鏡用于增強捕獲光的靈敏度，以提高系統(tǒng)的SNR（信噪比）.

傳輸?shù)男盘柺紫韧ㄟ^不同的調(diào)制方式變成調(diào)制符號，并經(jīng)過STBC技術(shù)變成兩路信號源，隨后進行OFDM調(diào)制.在相距5 m處，16QAM調(diào)制下，STBCOFDM信號占用了125 MHz的128個子載波，傳輸速率可達到500 Mb/s.上采樣率因子設(shè)定為5，AWG的采樣率和數(shù)字示波器的采樣率分別為625 MS/s和1 GS/s，隨后通過線下數(shù)字信號處理算法解調(diào)通過OSC采樣之后的數(shù)據(jù).

文獻[23]在基于Alamoutis STBC技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合基于等增益合并技術(shù)（EqualGain Combining，EGC），提出了一種EGCSTBC技術(shù)，數(shù)據(jù)在OFDM解調(diào)之前需要進行EGC處理.在發(fā)射機和接收機間距為16 m的自由空間中，使用2×2的EGCSTBC技術(shù)可以獲取18 Gb/s的速率.2×2的EGCSTBC解碼算法中，最終的數(shù)據(jù)也使用線性合并技術(shù)進行處理，解調(diào)的信號的表達式為

類似于文獻[22]的實驗處理方式，傳輸?shù)男盘柺紫韧ㄟ^不同的調(diào)制方式變成調(diào)制符號，并經(jīng)過STBC技術(shù)變成兩路信號源，隨后進行OFDM調(diào)制和軟均衡處理.在相距5 m處，16QAM調(diào)制下，STBCOFDM信號占用了125 MHz的128個子載波，傳輸速率達到了800 Mb/s.該系統(tǒng)中，上采樣率因子設(shè)定為4，AWG的采樣率和數(shù)字示波器的采樣率分別為800 MS/s和1 GS/s，隨后通過線下數(shù)字信號處理用于解調(diào)通過OSC（OSC，Agilent 54855A）采樣的數(shù)據(jù).分析等式（14）可知，2×2的MIMO系統(tǒng)中，STBC技術(shù)需要對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，極大提升了系統(tǒng)性能.仿真結(jié)果表明，較傳統(tǒng)的STBC算法，基于EGCSTBC算法可以在較短的時間內(nèi)獲得相應(yīng)比特數(shù).

在線下處理過程中，對于EGCSTBC機制，接收機接收的兩路數(shù)據(jù)流首先通過EGC處理，并在2×1的STBC解碼之前進行OFDM解調(diào).而在2×2的STBC機制中，接收機1和接收機2通過OFDM進行解調(diào)，并將解調(diào)出的數(shù)據(jù)發(fā)送至STBC譯碼器.傳統(tǒng)2×1 STBC、傳統(tǒng)2×2 STBC和 2×2 EGCSTBC 流程如圖8所示.

同時，文獻[23]還研究了不同LED燈的發(fā)射功率和BER之間的關(guān)系.當(dāng)功率比為1時，意味著LED1和LED2具有相同發(fā)射功率，通過STBC算法，可以獲得更好的性能.當(dāng)功率比上升或者下降時，BER性能都會惡化.

最后，該文獻還通過BER性能對傳統(tǒng)的2×2 STBC算法和EGCSTBC算法進行對比.實驗結(jié)果顯示，傳統(tǒng)的2×2 STBC算法和EGCSTBC算法的誤碼特性差不多.當(dāng)調(diào)制帶寬為225 MHz，BER低于門限值38×10-3時，可以達到18 Gb/s的吞吐量.綜合圖7所示，該技術(shù)較傳統(tǒng)的2×2的STBC技術(shù)，EGCSTBC在計算復(fù)雜度方面具有較好的優(yōu)勢.

3無線通信物理層和MIMO技術(shù)

目前，第五代移動通信技術(shù)正處于緊張的標(biāo)準化階段，相對于發(fā)展周期較短的可見光通信技術(shù)，可將一些無線通信系統(tǒng)中的技術(shù)運用到可見光通信系統(tǒng)中，比如無線通信系統(tǒng)中用于解決碼字和天線端口不對應(yīng)問題的“層映射”、用于獲取信道狀態(tài)信息的參考信號以及下行多天線技術(shù)中多用戶MIMO、波束賦形等技術(shù).

因此本文隨后對目前LTE系統(tǒng)中物理層的處理過程及下行多天線技術(shù)進行介紹和探討.

31LTE時頻資源

311時域

LTE系統(tǒng)中，為了提供一致而準確的時間，定義了一個基本的時間單位：

Ts=115 000×2 048=1/30 720 000 s， （15）

該時間單位可以看作是基于FFT（快速傅里葉變換）且FFT大于等于2 048的發(fā)射機/接收機所使用的采樣時間.

LTE的OFDM系統(tǒng)中，可以插入一段空白符號作為保護間隔（GI），這樣做雖能消除符號間干擾（Inter Symbol Interference，ISI），但是卻不能消除子載波間干擾（Inter Carrier Interference，ICI）.基于此，OFDM系統(tǒng)中，引入了循環(huán)前綴的概念，通過將OFDM信號最后一段長度的符號取出來放在OFDM信號的頭部，將OFDM符號拉長.通過引入CP，不但可以解決ISI問題，還能解決ICI問題.

312頻域

頻域中，LTE系統(tǒng)的基本單位是一個子載波（subcarrier）.正常CP情況下，上行和下行的子載波間隔為15 kHz，15 kHz的子載波間隔對應(yīng)每個符號內(nèi)可用的符號時間為2 048×Ts，近似667 μs.頻域上可用的所有資源稱為系統(tǒng)帶寬.

E（k，l）是LTE系統(tǒng)中的最小物理資源，它是由時間軸上的一個OFDM符號和頻域上一個子載波組成的二維矩形區(qū)域.一個RE可存放一個調(diào)制符號（Modulation Symbol），該調(diào)制符號可使用QPSK（對應(yīng)一個RE存放2 bit數(shù)據(jù)）、16QAM（對應(yīng)一個RE存放4 bit數(shù)據(jù)）或64QAM（對應(yīng)一個RE存放6 bit數(shù)據(jù)）調(diào)制.

313空域

LTE系統(tǒng)中，空間維度是以“層（layer）”來度量的，并通過多維度的發(fā)射機和多維度的接收機來實現(xiàn).如果不進行空間維度的復(fù)用，則在相同的時頻資源上，只存在單層，意味著只能傳輸一條數(shù)據(jù)流，即SISO系統(tǒng).如果使用空間維度的復(fù)用技術(shù)，則在相同的視頻資源上，可同時傳輸多跳數(shù)據(jù)流，以達到提高頻譜利用率和吞吐量的目的.

32物理層處理過程

LTE系統(tǒng)共定義了多種物理層信道用于信號的傳輸.不同物理信道傳輸不同的數(shù)據(jù)，其中，物理層處理過程大致相同，本文主要對下行系統(tǒng)中的物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）的物理層處理過程進行分析和討論.PDSCH的物理層處理過程如圖9所示.

321加擾

來自高層的傳輸塊在經(jīng)過CRC插入、信道編碼、速率匹配之后，得到數(shù)據(jù)流.為使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流隨機化，先對來自高層的數(shù)據(jù)（如圖9中的碼字）經(jīng)過加擾處理，即進行模2加：

q（i）=（sq（i）+cq（i））mod2. （16）

LTE系統(tǒng)中，在一個子幀中最多可傳輸兩個碼字，即q∈{0，1}.

322調(diào)制

對于每個加擾之后的數(shù)據(jù)，通過使用不同的調(diào)制方式變成調(diào)制信號.

323層映射

如前述，LTE系統(tǒng)中引入了“層”的概念，以實現(xiàn)空分復(fù)用的目的.如圖4所示，經(jīng)過調(diào)制后的比特流，被映射到一個或者多個層上，即被映射到x（i）=[x（0）（i），x（1）（i），…，x（v-1）（i）]T上，其中，i=0，1，…，Mlayersymb-1，v表示層的個數(shù)，Mlayersymb 為每一層中的調(diào)制符號個數(shù).

LTE系統(tǒng)中，共定義了兩種類型的天線端口數(shù)：單天線端口的層映射和多天線的層映射.

對于傳輸分集，傳輸?shù)拇a字p=1，層的數(shù)目v等于信道傳輸?shù)奶炀€端口數(shù).傳輸分集的層映射如表1所示.

對于空間復(fù)用，層的數(shù)目v小于或者等于傳輸所使用的天線端口數(shù).空間復(fù)用的層映射圖可參考文獻[24].

同時，層也是一種用于解決和天線端口數(shù)不匹配的技術(shù).在下行系統(tǒng)中，通過終端反饋的秩指示（Rank Indicator，RI）來確定所使用的層的數(shù)目.

324預(yù)編碼

層映射之后的調(diào)制符號，經(jīng)過預(yù)處理映射到不同的天線端口上，映射到每一個天線端口上的向量表達式為y（i）=[y（0）（i），y（1）（i），…，y（p）（i），…]T.LTE系統(tǒng)共定義了多種天線端口，p∈{0，4，5}是傳輸所使用的單天線端口序號，此時層的數(shù)目等于天線端口數(shù).對于分別支持2天線端口和4天線端口數(shù)的空分復(fù)用的預(yù)編碼技術(shù)，可使用的天線端口序號分別為p∈{0，1}和p∈{0，1，2，3}.

預(yù)編碼矩是R×P的矩陣，其中，R為傳輸秩，即層的數(shù)目v，P為天線端口的個數(shù).空間復(fù)用的預(yù)編碼的表達式如下定義：

y（0）（i）y（p-1）（i）=w（i）x（0）（i）x（v-1）（i）， （17）

預(yù)編碼矩陣w（i）從基站和終端協(xié)定配置好的碼本中選取.碼本是有限的可用預(yù)編碼矩陣的集合，終端通過選擇合適的預(yù)編碼矩陣進行上報.空分復(fù)用，2天線端口所使用的碼本如表2所示，4天線端口所使用的碼本具體可參考文獻[24].

LTE共支持兩種方式的下行天線預(yù)編碼：基于碼本的預(yù)編碼和基于非碼本的預(yù)編碼[24].基于碼本的預(yù)編碼，基站只能從碼本中選擇合適的預(yù)編碼矩

陣，并通過下行控制信息指示（Downlink Control Information，DCI）告訴終端對應(yīng)的下行PDSCH傳輸所使用的預(yù)編碼矩陣.二者的區(qū)別在于，前者使用的是小區(qū)特定參考信號進行信道估計，即公共參考信號（Common Reference Signal，CRS），后者使用的是終端特定的參考信號進行信道估計，即DRS.

325天線端口

天線端口是一個邏輯上的概念，一個天線端口可以是一個物理發(fā)射天線，也可以是多個物理發(fā)射天線的合并.因為每個天線端口對應(yīng)一個時頻資源網(wǎng)格，所以每個天線端口對應(yīng)一種類型的參考信號（Reference Signal，RS）.

對于下行，一個小區(qū)支持的天線端口集合依賴于該小區(qū)的參考信號配置.

33多天線技術(shù)

針對LTE下行的多天線技術(shù)，目前共定義了9種傳輸模式（Transmission Mode，TM）：

1） TM1為單輸入單輸出系統(tǒng)，即SISO.單天線端口傳輸中只有1個碼字，只使用1層，碼字直接映射到層上，且經(jīng)過層映射之后的調(diào)制符號直接映射到天線端口上.

2） 支持傳輸分集的TM2模式主要用于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?通過在多根發(fā)射天線上發(fā)送相同的數(shù)據(jù)可以提高SINR，但是卻不能提高吞吐量.

3） TM3又稱為開環(huán)空分復(fù)用，終端無需反饋PMI，只需反饋RI和CQI即可，是一種較為簡單的下行MIMO技術(shù).

4） 相比于TM3，TM4需要終端反饋PMI，閉環(huán)的TM4需要利用信道條件信息來調(diào)整發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)，但考慮到反饋和調(diào)整所帶來的時延問題，信道變化較快的高速環(huán)境中，不適合使用TM4.

5） TM5支持了MUMIMO的情況，但是v=1，因此終端無需反饋RI，雖只支持了v=1的傳輸，但是可最多支持2個UE并行傳輸[24].

6） TM6也是使用v=1的閉環(huán)預(yù)編碼，基本支持基于碼本的波束賦形，通過CRS進行信道估計.

7） TM7和MT8分別是Release8引入進來的單流波束賦形和雙流波束賦形技術(shù)，其中，TM7對提高小區(qū)平均吞吐量和邊緣吞吐量以及降低小區(qū)間干擾有著至關(guān)重要的作用，TM8則類似于波束賦形和空分復(fù)用的結(jié)合.

8） Release9引入的TM9，可支持“8流波束賦形”，設(shè)計其的目的在于減少基站間的干擾以及最大化信號的穩(wěn)定性.

如今，將MIMO技術(shù)與可見光通信相結(jié)合，已成為下一個研究VLC系統(tǒng)的熱門話題，而將“層”的概念引入到VLC系統(tǒng)中，也是一種必不可少的關(guān)鍵技術(shù)點，這將更有利于提升VLC系統(tǒng)的傳輸速率.

4總結(jié)

本文首先分析了可見光通信系統(tǒng)的基帶處理過程及MIMO技術(shù)，針對可見光通信系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)，分析介紹了成像VLCMIMO技術(shù)和非成像VLCMIMO技術(shù).隨后針對非成像VLCMIMO技術(shù)，分別討論了 2×1的傳統(tǒng)STBC編碼技術(shù)和2×2的基于EGCSTBC的編碼技術(shù).隨后，介紹了目前無線蜂窩系統(tǒng)的物理層處理過程及MIMO技術(shù)，并著重分析了后續(xù)可見光通信可進行研究的關(guān)鍵技術(shù)點.

在可見光通信系統(tǒng)中使用MIMO技術(shù)，使用LED陣列不僅可以提高室內(nèi)照明的亮度和覆蓋面積，還能進一步提高VLC系統(tǒng)在室內(nèi)信息傳輸中的可靠性，對于布局未來室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)具有重大意義.

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AbstractVisible Light Communication （VLC） attracts more and more interest since the combination of optical wireless communication with LED.LED array also becomes much popular in order to improve indoor lighting，so the VLCMIMO based on LED array has arisen.The baseband processing of the VLC system is introduced in this paper，followed by two VLCMIMO systems and the research progresses of SpaceTime Block Code in VLCMIMO.The physical channel processing and multiple antenna technology in long term evolution are discussed，and the future development of VLC system is predicted.

Key wordsspacetime block code （STBC）； visible light communication （VLC）； LED； multiple input multiple output（MIMO）