[論文レビュー] Background Radiation Cancellation for Free-Space Optical Communications with IM/DD

Tianyu Song, Pooi‐Yuen Kam|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、自由空間光IM/DDシステムにおける未知のチャネル利得およびバックグラウンド放射を共同推定可能なGLRTに基づくシーケンス受信機を提案する。この手法により、最小限のパイロット記号でほぼ完全な誤り性能を達成できる。ビタビ型トレリス探索と決定フィードバックを活用することで、PPM やラインコードなどの帯域を無駄に消費する技術に依存せずに、低複雑性かつ高スペクトル効率を実現する。

ABSTRACT

Besides atmospheric turbulence and pointing errors which cause the signal intensity fluctuation, background radiation also impairs the free-space optical intensity-modulation / direct-detection link performance by introducing a noisy photocurrent component in the receiver. Methods such as adopting some specific optics systems, using pilot symbols or line codes to estimate the background information and cancel it accordingly, and pulse-position modulation (PPM), can be adopted to mitigate the impact of background radiation. However, purely depending on the optics system, the background radiation can only be reduced, but not completely cancelled; and the use of any of pilot symbols, line codes and PPM reduces the system spectral efficiency drastically. In this paper, based on the generalized likelihood ratio test (GLRT) principle, we develop a Viterbi-type trellis-search sequence receiver (the GLRT sequence receiver) that can estimate the unknown channel gain and the background radiation simultaneously, and detect the data sequence accordingly. This receiver requires very few pilot symbols, and therefore, does not significantly reduce the bandwidth efficiency. Its error performance can approach that of detection with perfect information of the channel state and the background radiation, as the observation window length used for forming the decision metric increases. Since a Viterbi-type trellis-search algorithm is adopted, the search complexity is very low and is independent of the observation window size. However, the search complexity of the GLRT sequence receiver grows exponentially with the modulation order. To further simplify the implementation, we derive a more efficient decision-feedback symbol-by-symbol receiver which retains the same error performance as that of the GLRT sequence receiver.

研究の動機と目的

• バックグラウンド放射による性能劣化を是正すること。
• 光学的低減、パイロット記号、ラインコード、PPM などの従来手法が、バックグラウンド放射を完全にキャンセルできないか、スペクトル効率を著しく低下させるという制限を克服すること。
• 完全なチャネル状態情報が得られない状況でも、未知のチャネル利得とバックグラウンド放射を共同推定できる受信機を開発すること。
• 推定に使用するパイロット記号の数を最小限に抑えることで、スペクトル効率を維持すること。
• 効率的な信号検出アルゴリズムにより、実装複雑性が低く、ほぼ最適な誤り性能を達成すること。

提案手法

• 一般化尤度比検定（GLRT）に基づくシーケンス受信機を設計し、チャネル利得とバックグラウンド放射パワーを同時に推定する。
• Viterbi型トレリス探索アルゴリズムを用いて、観測ウィンドウ長に依存しない効率的なデータ系列検出を実現する。
• 短い観測ウィンドウを用いて意思決定指標を形成することで、ウィンドウ長が増加するにつれてほぼ最適な性能を達成する。
• シーケンス受信機と同等の誤り性能を達成するが、複雑性が低いシンボル単位のフィードバック検出器を導出する。
• バックグラウンド放射とチャネルフェージングの統計的性質を活用し、尤度に基づく検出指標を設計する。
• GLRTフレームワーク内でのデータ支援推定に依存することで、PPM やラインコードなどの帯域を食う技術を避けることでパイロットのオーバーヘッドを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FSO IM/DDシステムにおいて、最小限のパイロット記号でチャネル利得とバックグラウンド放射を共同推定可能か？
• RQ2 提案されたGLRTシーケンス受信機の誤り性能は、完全なチャネル状態情報およびバックグラウンド状態情報が得られる場合と比べてどの程度か？
• RQ3 提案された受信機アーキテクチャにおいて、検出の複雑性と性能のトレードオフはいかなるものか？
• RQ4 シンボル単位のフィードバック検出器は、シーケンス受信機と同等の誤り性能を達成しつつ、実装複雑性を低減できるか？
• RQ5 従来のバックグラウンドキャンセリング技術（PPM やラインコードなど）と比較して、提案手法はスペクトル効率をどの程度向上させるか？

主な発見

• 観測ウィンドウ長が増加するにつれて、GLRTシーケンス受信機の誤り性能は、完全なチャネル状態情報およびバックグラウンド状態情報が利用可能な場合の性能に近づく。
• 受信機はパイロット記号をわずかにしか必要としないため、パイロットシーケンスやPPMなどの変調方式に依存する手法と比較して、スペクトル効率を著しく保持できる。
• Viterbi型トレリス探索アルゴリズムにより、複雑性が低く、観測ウィンドウ長に依存しない。これにより、長大なシーケンスに対してもスケーラブルである。
• 導出されたフィードバック検出器は、シーケンス受信機と同等の誤り性能を達成するが、計算複雑性が著しく低減される。
• 光学フィルタリングや帯域を無駄に消費する変調フォーマットに依存せずに、バックグラウンド放射を効果的にキャンセルできる。実用的なFSOシステムに向けた実用的ソリューションを提供する。
• 実際のFSOチャネル環境下でも、スペクトル効率および誤り率性能の両面で、従来手法を上回る性能を発揮する。