可见光通信(Visible Light Communication,VLC)将照明和通信结合起来,其绿色、安全、频谱丰富等特点引起各大研究者的关注。而且,照明系统典型的多灯场景设施提供了天然的MIMO结构。目前,无线通信频谱的紧缺、社会用户对速率的需求使得高速传输和产业化应用成为可见光通信领域两大研究热点。大规模MIMO-VLC应运而生,它具有三大特点:产业化、照明、通信。产业化意味着系统多阵元、微间距,收发端需要具有良好的移动性,而兼顾照明与通信的需求给理论技术研究增加了新的挑战。本文的研究主题是:对于室内大规模MIMO-VLC系统,进行兼顾通信性能与照明需求的信号设计关键技术研究。基于此,将课题归纳为可达速率理论限、折中下可达速率以及如何设计可靠传输的高效星座三个部分,层层递进、深入展开研究。本文主要研究内容如下所示:第一部分:可达速率理论限。针对室内大规模MIMO-VLC系统,推导信道点对点以及遍历容量。首先,基于室内VLC信道独特的几何性,对接收信号的差熵提出了一个通用的近似下限,其与几何参数有一个简易的关系。基于此,推导出了VLC信道点对点容量的近似下限。然后,根据日常人们室内活动规律,提炼出两种典型的二维分布。基于点对点容量,推导出对应活动规律的VLC信道遍历容量下限。仿真结果表明,容量限具有较好的紧性,而且有效地反映了容量与LED间干扰(ICI)、信道增益等的关联。第二章遍历容量的研究是后续各章的理论基础。第二部分:通信有效性和可靠性折中的可达速率。以“利用信道特性降低ICI”为切入点,研究大规模MIMO-VLC的有效性和可靠性折中。1、考虑照明约束的有效性和可靠性折中。基于信道时不变、几何等特性,针对大规模MIMO-VLC系统,深入地研究误码性能与频谱效率的联系,建立有效性和可靠性折中准则。主要工作如下:一是,结合光功率以及LED非线性等特性,引入两个衡量有效性和可靠性的定义。二是,综合考虑通信指标和照明约束,建立优化折中准则OERT。三是,提出了一个快速搜索算法,降低求解最优折中的计算复杂度。最后,基于三种性能曲线,分析有效性可靠性折中方案OERTS的性能。仿真结果表明,OERTS不仅较好地实现通信有效性和可靠性的折中,而且体现了LED非线性等照明约束对光功率利用率的影响。最优折中方案也表现出对信道良好的适应性,这对VLC应用推广具有直接的指导意义。2、兼顾误码性能和频谱效率的信道自适应空间调制方案。论文针对信道高相关性甚至缺秩的MIMO-VLC系统,建立了一个通用平衡准则。不仅兼顾误码性能与频谱效率,而且与VLC信道相适应。在此基础上,结合MIMO-VLC信道的规则的几何特性,提出一种信道自适应的空间调制(CASM)方案。通过充分的仿真可以看出,CASM有效地改善了通信性能,当考虑信道估计引起的10%频谱效率损耗时,仍能取得较好的误码性能。对应星座图能够随着信道的变化而变化,提高了MIMO-VLC系统接收端的移动性。第三部分:高效信号星座设计。以“将不可控ICI转化为可控有利资源”为切入点,设计了一种信道自适应空域关联的星座,并提出一种快速最大似然检测算法。1、信道自适应、空域关联的星座设计。针对相关性的MIMO-VLC信道,提出了一种通用的信道自适应、空域关联的星座设计准则。一方面,优化模型考虑信道影响,目标函数以接收端星座的最小距离着手;另一方面,不同于现有技术,我们在LED间建立空域关联,将不可控ICI转化为可控的“有利”资源,以此提高误码性能。基于此准则,将空间几何、集合划分等数学知识融合于星座设计中,从基星座和高阶星座两个步骤,设计了2×2MIMO-VLC信道的规则星座CASCC。对比于MIMO-VLC常规的方案,建立的CASCC不仅具有较好的误码性能,而且对信道具有较好的适应性。2、快速最大似然检测算法。对于CASCC,其发射端星座和接收端星座一一对应。而且,接收端的整个星座图能够用两个基向量表示。既是规则的,也是已知的。基于这些特性,通过缩小最大似然的搜索区域,设计了快速最大似然检测算法。与常规的最大似然检测进行了理论和仿真上的对比分析。结果表明,此快速检测算法不仅较好地降低了计算复杂度,而且没有带来误码性能上的损耗。