[論文レビュー] Quad-LED and Dual-LED Complex Modulation for Visible Light Communication

T. Lakshmi Narasimhan, R. Tejaswi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 29被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、複素値シンボルをヒルバート型対称性を必要とせずに送信できる空間多重の複数LEDを用いた可視光通信（VLC）のための四LED複素変調（QCM）および二LED複素変調（DCM）を提案する。QCMは、強度と空間インデックスを用いて実部・虚部およびその符号を伝送する。DCMは、複素シンボルの極座標表現に基づき、一つのLEDで強度変調された大きさ、もう一つのLEDで位相を伝送する。これらの方式は、10⁻⁵誤りビットレート（BER）で最大5 bpcuのデータレートを達成し、70%の部屋カバレッジを実現し、従来手法に比べスペクトル効率および空間均一性において優れる。

ABSTRACT

In this paper, we propose simple and novel complex modulation techniques that exploit the spatial domain to transmit complex-valued modulation symbols in visible light wireless communication. The idea is to use multiple light emitting diodes (LEDs) to convey the real and imaginary parts of a complex modulation symbol and their sign information, or, alternately, to convey the magnitude and phase of a complex symbol. The proposed techniques are termed as {\em quad-LED complex modulation (QCM)} and {\em dual-LED complex modulation (DCM)}. The proposed QCM scheme uses four LEDs (hence the name `quad-LED'); while the magnitudes of the real and imaginary parts are conveyed through intensity modulation of LEDs, the sign information is conveyed through spatial indexing of LEDs. The proposed DCM scheme, on the other hand, exploits the polar representation of a complex symbol; it uses only two LEDs (hence the name `dual-LED'), one LED to map the magnitude and another LED to map the phase of a complex modulation symbol. These techniques do not need Hermitian symmetry operation to generate LED compatible positive real transmit signals. We present zero-forcing and minimum distance detectors and their performance for QCM-OFDM and DCM-OFDM. We further propose another modulation scheme, termed as SM-DCM {\em (spatial modulation-DCM)} scheme, which brings in the advantage of spatial modulation (SM) to DCM. The proposed SM-DCM scheme uses two DCM BLOCKs with two LEDs in each BLOCK, and an index bit decides which among the two BLOCKs will be used in a given channel use. We study the bit error rate (BER) performance of the proposed schemes through analysis and simulations. Using tight analytical BER upper bounds and spatial distribution of the received signal-to-noise ratios, we compute and plot the achievable rate contours for a given target BER in QCM, DCM, and SM-DCM.

研究の動機と目的

• OFDMベースのVLCにおけるヒルバート型対称性のスペクトル効率損失を克服するため、空間ドメイン多重を活用する。
• 複数のLEDを用いて、複素値変調シンボル（例：QAM）を直接送信可能な可視光通信における方式を実現する。
• 従来の強度変調方式と比較して、室内環境全体における誤りビットレート（BER）性能および実現可能レートの均一性を向上させる。
• 既存のLEDハードウェアおよびOFDMシステムと互換性がある実用的な変調方式（QCM、DCM、SM-DCM）を開発する。
• 10⁻⁵ BERを目標とした性能評価およびレートコンター地図作成のため、タイトな解析的BER上界を提供する。

提案手法

• QCMは4つのLEDを用いる：複素シンボルの実部および虚部の強度変調と、活性化されたLEDペアの空間インデックスを用いて符号情報を伝送する。
• DCMは2つのLEDを用いる：複素シンボルの極座標表現に基づき、一つのLEDで強度変調された大きさ、もう一つのLEDで位相を伝送する。
• SM-DCMはDCMを拡張し、各シンボルごとに2つのLEDブロック（それぞれ2つのLEDから成る）から1つを選択する空間変調を適用し、インデックスビットでアクティブなブロックを指定する。
• 周波数選択フェージングチャネルにおける信頼性の高い検出を可能にするために、QCM-OFDMおよびDCM-OFDM用のゼロ・フォーシングおよび最小距離検出器を設計する。
• 受信SINRの空間分布と信号星座の幾何構造を用いて、BERのタイトな解析的上界を導出する。
• 2.5 cmの空間分解能を持つグリッドを用い、各受信位置におけるBER上界を最大QAMサイズにマッピングすることで、実現可能レートコンターを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒルバート型対称性を必要とせず、OFDMシステムにおける50%のスペクトル効率損失を回避できるように、複素値変調をVLCで送信可能か？
• RQ2 複数LEDの空間多重は、BERおよびスペクトル効率の観点で、複素シンボル伝送をどのように改善するか？
• RQ3 10⁻⁵ BERを目標とした場合、QCM、DCM、SM-DCMの実現可能レート性能および空間均一性は、室内環境全体でどの程度か？
• RQ4 QCMにおける変調シンボルの位相回転は、BER性能にどのように影響するか？
• RQ5 解析的BER上界は、複数LEDを有するVLCシステムにおける空間的に変化する実現可能レートを正確に予測できるか？

主な発見

• QCMは、10⁻⁵ BERで最大5 bpcu（32-QAM対応）を達成し、部屋の70%をカバーする。これは、高レートカバレッジにおいてDCMおよびSM-DCMを上回る性能を示す。
• DCMは、10⁻⁵ BERで最大4 bpcu（16-QAM対応）を達成し、70%のカバレッジを実現。8-QAMでは90%以上のカバレッジを達成し、QCMよりも優れた性能を示す。
• SM-DCMは、3–4 bpcuの範囲でQCMおよびDCMよりも優れた性能を示し、空間ダイバーシティの向上と干渉の低減により、90%以上の部屋カバレッジを達成する。
• BERが10⁻³未満の範囲では、解析的BER上界がシミュレーション結果とタイトに一致し、正確なレートコンター地図作成が可能となる。
• QCMにおける位相回転は、送信信号ベクトル間の最小距離を増加させることで、BER性能を向上させる。
• 提案手法はヒルバート型対称性の必要性を排除し、従来のDCO-OFDMやACO-OFDMにおける50%のスペクトル効率に比べ、全スペクトル効率（1シンボル/チャネル使用）を実現可能となる。