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作者及机构
本研究由IEEE会员Asanka Nuwanpriya（南澳大利亚大学电信研究所）、IEEE高级会员Siu-Wai Ho（同机构）及IEEE会员Chung Shue Chen（阿尔卡特-朗讯贝尔实验室法国研究中心）共同完成，发表于2015年9月的《IEEE Journal on Selected Areas in Communications》（第33卷第9期）。

学术背景

研究领域与动机
该研究属于室内可见光通信（Visible Light Communications, VLC）领域，聚焦多输入多输出（MIMO）技术。传统VLC系统因LED光源的带宽限制（仅数MHz），需通过MIMO技术提升数据速率。然而，室内直射光环境导致MIMO信道矩阵高度相关，阻碍信号解码。现有解决方案（如空间分离接收器或链路阻断接收器）存在硬件调整复杂或移动性支持不足的问题。因此，本研究提出两种新型角度分集接收器设计，旨在实现高秩MIMO信道并支持用户移动性。

目标
开发紧凑、无需空间分离的接收器设计，通过光电探测器（Photodetector, PD）的角度分集降低信道相关性，同时保持接近链路阻断接收器的性能。

研究流程与方法

1. 接收器设计

研究对象
- 金字塔接收器（Pyramid Receiver, PR）：PD的法向量与金字塔等边n边形基面的三角形面法向量对齐，所有PD仰角固定为θₚᵣ，方位角对称分布（公式8-9）。
- 半球接收器（Hemispheric Receiver, HR）：PD均匀分布在半球表面，仰角和方位角通过球面点分布算法确定（公式10-12）。

创新性
- 无需空间分离：PD紧密排列在水平面上，尺寸适配手持设备（如智能手机），如图6-7所示。
- 角度分集优化：通过数值仿真确定最优仰角θₚᵣ和水平旋转角φₚᵣₕ，最大化信道容量（公式7）。

2. 理论验证

关键定理
- 定理1：证明PD的视场系数（Field-of-View Coefficient, k）影响信道矩阵秩。当k=1时，独立信道数上限为3；而实验测得k=1.4738时，秩随PD数量线性增长（图8）。

实验参数
- 空间尺寸4m×4m×2.7m，LED阵列间距dₜₓ=2m，PD活性面积15mm²，噪声模型为加性高斯白噪声（AWGN）。

3. 性能评估

对比方案
- 链路阻断接收器（LB）：通过硬件阻断特定链路降低相关性，但需位置调整。
- 空间分离接收器（SS）：PD间距10cm，性能较差。

评估指标
- 信道容量：基于零强迫均衡器（公式6）和特征值分解（公式7）。
- 误码率（BER）：4-PAM调制下理论近似与仿真对比（公式18）。

实验与仿真
- 数值仿真：在7个空间位置（图9）比较PR、HR、LB和SS的信道容量（图11-13）及BER（图15-18）。
- 硬件实验：使用Bridgelux LED和Centronic OSD15-E PD验证PR性能（图20-22），结果与仿真匹配。

主要结果

1. 信道容量
   

• PR和HR在多数位置接近LB性能（图11），且优于SS。当dₜₓ增大至3m时，PR容量超越LB（图13）。
  
• HR对水平旋转不敏感，适合移动场景（图12）。
  

1. 误码率
   

• PR在中心位置（dₜₓ=2m）比HR低3dB（图16）；当dₜₓ=3m时，PR比LB低2dB（图18）。
  

1. 空间分离影响
   SS需38-131cm间距才能匹配PR/HR性能（表III），不适用于小型设备。
   

结论与价值

科学价值
- 首次提出通过角度分集实现VLC-MIMO高秩信道，突破传统空间分离限制。
- 理论证明PD视场系数k对信道秩的制约，为接收器设计提供新维度。

应用价值
- 移动性支持：PR/HR无需位置调整，适用于手持设备。
- 紧凑设计：接收器尺寸≤18.5mm³（图6-7），兼容商业化PD。

研究亮点

1. 创新设计：PR和HR通过几何布局实现角度分集，无需复杂硬件。
   
2. 性能优势：在dₜₓ=3m时，PR容量和BER均优于LB（图13, 18）。
   
3. 理论突破：揭示k与信道秩的关系（定理1），填补领域空白。
   

其他贡献
- 开源实验数据验证仿真准确性（图21-22），为后续研究提供基准。

此研究为室内VLC-MIMO系统提供了实用化解决方案，兼具学术前瞻性与工程落地潜力。