[論文レビュー] A Comparative Study of Unipolar OFDM Schemes in Gaussian Optical Intensity Channel

Jing Zhou, Wenyi Zhang|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2017

Optical Network Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、平均光強度制約のもとでのガウス的光強度チャネルにおける一極性OFDM方式の比較的分析を提示する。i.i.d. ガウス的コードブックと最近接符号化方式を用いて、情報レートを導出し、特定の方式の等価性を確立し、最適化されたパワー割り当てを施したコンポonent多重方式が、高SNRにおいて高スルーレートに達するまで0.07ビット以内であることを示している。

ABSTRACT

We study the information rates of unipolar orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) in discrete-time optical intensity channels (OIC) with Gaussian noise under average optical power constraint. Several single-, double-, and multicomponent unipolar OFDM schemes are considered under the assumption that independent and identically distributed (i.i.d.) Gaussian or complex Gaussian codebook ensemble and nearest neighbor decoding (minimum Euclidean distance decoding) are used. We obtain an array of information rate result. These results validate existing signal-to-noise-and-distortion-ratio (SNDR) based rate analysis, establish the equivalence of information rates of certain schemes, and demonstrate the evident benefits of using component-multiplexing at high signal-to-noise-ratio (SNR). For double- and multi-component schemes, the component power allocation strategies that maximize the information rates are investigated. In particular, by utilizing a power allocation strategy, we prove that several multi-component schemes approach the high SNR capacity of the discrete-time Gaussian OIC under average power constraint to within 0.07 bits.

研究の動機と目的

• 平均光強度制約下でのさまざまな一極性OFDM方式の情報レートを評価・比較すること。
• 光強度チャネルにおけるスペクトル効率および情報レートに及ぼすコンポonent多重の影響を調査すること。
• 二重および多成分一極性OFDM方式の情報レートを最大化するための最適パワー割り当て戦略を特定すること。
• SNDRに基づくレート解析の妥当性を検証し、特定の一極性OFDM方式間の性能の等価性を確立すること。
• 多成分方式が、離散時間ガウス的光強度チャネルの高SNR容量にどの程度近づけるかを示すこと。

提案手法

• 平均光強度制約下における加法的ガウスノイズを伴う離散時間光強度チャネルを分析する。
• 信号生成にi.i.d. ガウス的または複素ガウス的コードブック集合を用いる。
• 到達可能な情報レートを推定するために、最近接符号化（最小ユークリッド距離）を適用する。
• 複素ベクトルチャネルの一般枠組みを用いて、変復調器の歪みを含むチャネルにおける一般化相互情報量（GMI）を導出する。
• 入力および歪み信号の期待値を用いて定義される$\Delta$を用いた、GMIの式${\cal I}_{\textrm{GMI}}=N\log\left(1+\frac{\Delta}{1-\Delta}\right)$を用いる。
• GMIを最大化し、最高の情報レートを達成するために、復号スケーリングパラメータ$a_{\textrm{opt}}$を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平均光強度制約下において、さまざまな一極性OFDM方式の到達可能な情報レートはどのように比較されるか？
• RQ2 コンポonent多重が、光強度チャネルにおける一極性OFDMの情報レートに及ぼす影響は何か？
• RQ3 二重および多成分一極性OFDM方式において、情報レートを最大化するパワー割り当て戦略は何か？
• RQ4 多成分一極性OFDM方式は、離散時間ガウス的光強度チャネルの高SNR容量にどの程度近づけるか？
• RQ5 同じ復号方式およびパワー制約下で、特定の一極性OFDM方式間に性能の等価性が存在するか？

主な発見

• 二重および多成分一極性OFDM方式におけるコンポonent多重は、高SNRにおいて顕著な性能向上をもたらす。
• 同じ復号およびパワー制約下で、ADO-OFDMやHACO-OFDMといった特定の一極性OFDM方式の情報レートは等価であることが示された。
• 最適化されたパワー割り当て戦略を用いることで、多成分方式は離散時間ガウス的OICの高SNR容量に0.07ビット以内で近づく。
• GMIに基づくレート解析は妥当性が確認され、既存のSNDRに基づくレートモデルと整合的であることが示された。
• FDM-UOFDM や eU-OFDM といった多成分方式のDoF効率は $1-2^{-L}$ であり、成分数$L$が増加するにつれて向上する。
• 最適復号スケーリング $a_{\textrm{opt}}$ を用いた導出されたGMIフレームワークにより、変復調器の歪みが生じる状況下での到達可能なレートの正確な推定が可能になった。