1、近年來，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，移動(dòng)用戶的業(yè)務(wù)流量呈爆炸式增長。為了實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠的通信連接，以擴(kuò)展頻譜帶寬的高頻段傳輸成為下一代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。其中，以可見光通信技術(shù)為代表的光保真技術(shù)(LiFi)因其具有超大帶寬、綠色高能效、無電磁干擾以及易部署等優(yōu)點(diǎn)，成為構(gòu)建具有高頻譜效率與高能量效率超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的重要選擇。成像光通信是一種特殊的可見光通信方式，在實(shí)現(xiàn)泛在部署、超大規(guī)模光多輸入多輸出(MI

2、MO)接收、多頻（色）接收以及大視場角抗干擾接收等方面有著明顯的優(yōu)勢。因此，基于成像通信的研究對(duì)構(gòu)建大容量無線光通信網(wǎng)絡(luò)意義重大。
　　從現(xiàn)有關(guān)于成像通信的研究來看，大多集中于調(diào)制技術(shù)、系統(tǒng)同步及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等方面。但從后續(xù)關(guān)于最優(yōu)傳輸信號(hào)設(shè)計(jì)、最佳信號(hào)檢測與估計(jì)以及信道編碼譯碼等方面的研究來看，構(gòu)建一個(gè)能夠統(tǒng)一表征成像通信的通信模型，同時(shí)基于此模型進(jìn)行性能分析的研究至關(guān)重要。因此，本文針對(duì)成像通信特點(diǎn)，構(gòu)建成像通信系統(tǒng)模型，推導(dǎo)不同

3、通信場景下的信道容量，并通過實(shí)驗(yàn)的辦法驗(yàn)證所構(gòu)建通信模型及容量性能理論分析的正確性。本論文的主要研究內(nèi)容和貢獻(xiàn)如下:
　　(1)構(gòu)建能夠統(tǒng)一表征成像通信的通信模型，包括信號(hào)模型、噪聲模型及統(tǒng)計(jì)信道模型?？紤]照明約束條件，給出了由多維正交基函數(shù)集合構(gòu)成的非負(fù)信號(hào)可行域、平均光功率約束可行域及峰值光功率可行域空間。建立了包括源端輻射模式、光學(xué)系統(tǒng)響應(yīng)、像素探測器響應(yīng)以及指向偏差等因素在內(nèi)的統(tǒng)計(jì)信道模型。同時(shí)基于光電器件的物理性質(zhì)及制造

4、工藝影響，系統(tǒng)分析了成像接收機(jī)中的噪聲分量。最后建立能夠統(tǒng)一表征成像通信的通信模型。
　　(2)在發(fā)射端信道信息(CSIT)已知的情況下，首先將單光源構(gòu)成的理想成像單輸入單輸出(SISO)信道建模為混合式依賴信號(hào)的高斯噪聲(M-SDGN)信道。針對(duì)M-SDGN信道，我們分析了基于熵率不等式、輸入輸出微分熵、容量對(duì)偶方法以及球填充理論等方法在進(jìn)行M-SDGN信道容量推導(dǎo)時(shí)的不適用性。接下來，我們?cè)跀?shù)學(xué)上證明了使得M-SDGN信道容量

5、可達(dá)的最優(yōu)輸入分布的唯一性以及離散性，并給出了滿足最優(yōu)輸入分布的充分必要條件。最后，在給定最優(yōu)輸入分布充分必要的條件上，我們證明了x=0為最優(yōu)幅度質(zhì)點(diǎn)的結(jié)論，并結(jié)合Blahut-Arimoto迭代算法設(shè)計(jì)出低復(fù)雜度的離散輸入分布搜索算法。
　　(3)在CSIT已知的情況下，我們將多光源構(gòu)成的成像MIMO信道建模為MIMO-SDGN信道。針對(duì)成像MIMO-SDGN信道，我們首先分析了和容量可達(dá)最優(yōu)輸入分布不再為離散輸入分布。之后，我

6、們分別通過信道矩陣求逆、QR分解以及具有直流偏置的奇異值分解(DC-SVD)分解的方法將MIMO-SDGN信道解耦為具有不同光約束及SDGN的并行光信道。之后，我們給出了該并行光信道和容量上下界的閉式表達(dá)，以及所達(dá)和容量上下界的功率分配策略。仿真結(jié)果表明，所推導(dǎo)的成像MIMO-SDGN信道和容量上下界在高信噪比下具有較小的間隙，體現(xiàn)了容量緊界的特征，并且驗(yàn)證了基于信道矩陣求逆及QR分解方法所求的和容量大于DC-SVD解耦辦法。
　

7、　(4)搭建成像通信試驗(yàn)平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)分析成像通信中的噪聲模型，比較系統(tǒng)實(shí)際所達(dá)速率與理論容量性能的性能差異。通過實(shí)驗(yàn)，我們驗(yàn)證了成像通信中的噪聲為高斯白噪聲，輸入光信號(hào)與輸出噪聲方差之間呈二次函數(shù)關(guān)系，從而驗(yàn)證了所提M-SDGN信道模型的正確性。另外我們測試了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的成像SISO系統(tǒng)與成像MIMO系統(tǒng)所能達(dá)的傳輸速率，并且與相應(yīng)參數(shù)下的理論容量性能進(jìn)行比較。結(jié)果表明，不管是優(yōu)化后的脈沖幅度調(diào)制SISO(PAM-SISO)系統(tǒng)還是顏色強(qiáng)