[論文レビュー] From DC-Biased to DC-Informative Optical OFDM

Qian Gao, Chen Gong+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2014

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、従来のシステムで無視されていた直流バイアス（DC-bias）を情報伝送に活用する新しい変調方式、DC-インフォーマティブ光OFDM（DCIO-OFDM）を提案する。凸最適化を用いて高次元の信号対応を共同最適化することで、従来のDCO-OFDMと比較して顕著な電力効率の向上を達成し、シミュレーションにより、高バイアス条件下で最小ユークリッド距離に最大3.55 dBの向上が得られ、BER = 10⁻⁵におけるSNR向上も1 dB以上を達成した。

ABSTRACT

We propose a novel modulation scheme for intensity modulation and direct detection (IM/DD) based optical communication system employing orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). This method utilizes the DC-bias, which typically is discarded at the receiver-end, to carry information to achieve higher power efficiency. By formulating and solving a convex optimization problem, a constellation in high dimensional space is designed offline for the input of the transmitter-side inverse fast Fourier transform (IFFT) block. We point out that one can choose partial or full DC power for information transmission. Under the condition that the spectrum efficiency is fixed and attainable, this method bears notable power gain over traditional DC-biased optical OFDM (DCO-OFDM).

研究の動機と目的

• 従来の直流バイアスを用いた光OFDM（DCO-OFDM）において、直流バイアスが情報を持たず無駄にされている低電力効率の問題を解決すること。
• 光OFDMシステムにおいて直流成分を情報伝送に用いることの可能性を検討すること。
• サブキャリアと直流成分の両方を含む信号空間において、スペクトル効率を最大化し、誤り率を最小化するための共同信号対応設計を行うこと。
• システム要件に応じて直流電力の部分的または完全的利用を可能にすることで、柔軟なシステム設計を実現すること。
• 凸最適化による事前最適化により、スペクトル効率を損なわず、より高い電力効率を達成すること。

提案手法

• 信号対応の誤り率を最小化しつつ、電力制約および非負制約を満たすために、凸最適化問題を定式化する。
• N個のサブキャリアと直流成分の間で信号対応を共同設計し、直流成分を信号空間における追加次元として扱う。
• 各サブキャリアに独立してM_i-QAMを適用するのではなく、高次元空間における球体パッキングアプローチを用いることで、エネルギー効率の高い信号対応を実現する。
• 収束性と性能を向上させるために、複数の初期値を用いたBare-Search Algorithm（BSA）を最適化問題に適用する。
• ビット誤り率（BER）を最小化する目的関数として、最小ユークリッド距離（MED）を採用し、非負の信号振幅および電力制限を満たす制約を設ける。
• 直流電力の完全利用または部分利用が可能な両方の方式をサポートし、システム要件に応じてDCO-OFDMとDCIO-OFDMのハイブリッド構成を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光OFDMシステムにおける直流バイアスを、電力効率の向上を図るために情報伝送の次元として再利用可能か？
• RQ2 電力制約および非負制約下で、最小ユークリッド距離（MED）を最大化する最適な高次元信号対応設計は何か？
• RQ3 固定されたスペクトル効率下で、DCIO-OFDMのシステム性能は従来のDCO-OFDMと比較して、SNR向上およびビット誤り率（BER）の観点でどのように差がつくか？
• RQ4 直流バイアス電力比を変化させた場合、システム性能に与える影響およびシステム設計の柔軟性に与える影響は何か？
• RQ5 提案された凸最適化フレームワークは、実用的なアルゴリズムによって効果的に解けるか？また、実世界の実装に適した近似的最適な信号対応を生成できるか？

主な発見

• 13 dBの直流バイアスを用いた場合、DCIO-OFDMは最小ユークリッド距離（MED）が3.55に達し、従来のDCO-OFDMと比較して著しく高い耐障害性を示した。
• BERが10⁻⁵の条件下で、最小電力設定（P_E = 16.58）において、DCIO-OFDMはDCO-OFDMよりも0.5 dBのSNR向上を達成した。
• 中程度（7 dB）および高（13 dB）の直流バイアスレベルでは、同じBER要件下でDCIO-OFDMが1 dBを超えるSNR向上を達成した。
• 提案された信号対応設計により、高次元空間における信号構造がよりコンactにまとまり、各サブキャリアに独立してM_i-QAMを適用する手法に比べ、エネルギー効率が優れた。
• 部分的または完全的なDCインフォーマティブ方式をサポートすることで、電力効率と実装の複雑さの間でトレードオフを実現する柔軟な運用が可能になった。
• 最適化フレームワークにより、スペクトル効率を維持しつつ誤り確率を顕著に低減する信号対応が生成されたことが、平坦 fadingおよび周波数選択的チャネルにおけるシミュレーションで検証された。