[論文レビュー] Spectrally and Energy Efficient OFDM (SEE-OFDM) for Intensity Modulated Optical Wireless Systems

Emily Lam, Sarah Kate Wilson+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2015

Optical Wireless Communication Technologies被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、直流バイアスを必要とせず、DCバイアス付きOFDM（DCO-OFDM）と同等のスペクトル効率を達成する、新しい光OFDM変調方式であるスペクトル的・エネルギー効率的OFDM（SEE-OFDM）を提案する。この方式は複数の非対称クリッピングOFDM（ACO-OFDM）信号を組み合わせることで、ACO-OFDMより3 dB優れたビット誤り率（BER）性能を達成し、すべての競合方式よりも低いPAPRを実現する。また、ハードデシジョン反復復調を用いることで最適な性能を発揮し、LiFiのような強度変調光無線システムに最適である。

ABSTRACT

Spectrally and energy efficient orthogonal frequency division multiplexing (SEE-OFDM) is an optical OFDM technique based on combining multiple asymmetrically clipped optical OFDM (ACO-OFDM) signals into one OFDM signal. By summing different components together, SEE-OFDM can achieve the same spectral efficiency as DC-biased optical OFDM (DCO-OFDM) without an energy-inefficient DC-bias. This paper introduces multiple methods for decoding a SEE-OFDM symbol and shows that an iterative decoder with hard decisions gives the best performance. Being a multi-component format, different energy allocation amongst the different components of SEE-OFDM is possible. However, equal energy allocation performs 1.5 dB better than unequal energy allocation. A hard-decision, iterative subtraction receiver can further increase performance by another 1.5 dB over soft-decision subtraction and reconstruction receivers. SEE-OFDM consistently performs 3 dB or better and with higher spectral efficiency than ACO-OFDM at the same bit-error-rate (BER). Comparing other combination methods at the same BER, SEE-OFDM performs up to 3 dB better than hybrid asymmetrically clipped optical (OFDM) (HACO-OFDM) and up to 1.5 dB better than asymmetrically and symmetrically clipped optical OFDM (ASCO-OFDM) and enhanced unipolar OFDM (eU-OFDM) when using hard decisions at the receiver. Additionally, SEE-OFDM has the best peak-to-average-power rate (PAPR) as compared to the other combination OFDM formats and ACO-OFDM, which makes it excellent for any range limited optical source, such as laser diodes and light-emitting diodes (LEDs). In summary, SEE-OFDM is shown to have excellent properties to glean additional capacity from an intensity modulation and direct detection (IM/DD) optical wireless communications system.

研究の動機と目的

• ACO-OFDM や DCO-OFDM などの既存の強度変調光OFDM（IM/DD）方式におけるスペクトル効率およびエネルギー効率の制限を解消すること。
• 直流バイアスのエネルギー非効率性を回避しつつ、DCO-OFDMと同等のスペクトル効率を達成する新しいOFDMフォーマットの開発。
• 特に反復的ハードデシジョン復調を含む、SEE-OFDMの受信技術の評価と最適化。
• BER、PAPR、実装複雑度の観点から、HACO-OFDM、ASCO-OFDM、eU-OFDM などの最先端ハイブリッドOFDMフォーマットと比較してSEE-OFDMをベンチマークすること。

提案手法

• SEE-OFDMは、複数のACO-OFDM成分を、異なるサブキャリアグループ（例：奇数、偶数、または高調波）に変調して加算することで、完全なスペクトル効率を達成する合成信号を構築する。
• 信号は時間領域の操作を回避するため、IFFTとゼロクリッピングを用いて完全に周波数領域で生成され、効率的な実装が可能である。
• 受信機では、反復的ハードデシジョン減算を用いて、以前の成分からの干渉をキャンセルし、検出精度を向上させる。
• 成分間でのエネルギー割り当て戦略を検討し、等エネルギー割り当てが不均等割り当てよりも1.5 dBのSNR向上をもたらすことが判明した。
• 個々の成分を回復するために周波数領域再構成技術を用いることで、干渉のない復調が可能になる。
• 理論的分析により、直交サブキャリア割り当てと位相キャンセレーションのおかげで、高調波成分が低調波成分に干渉しないことが証明されたが、逆に低調波成分が高調波成分に干渉する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ACO-OFDM信号の組み合わせにより、直流バイアスを必要とせず、DCO-OFDMと同等のスペクトル効率を達成できるか？
• RQ2 SEE-OFDMの最適な受信構造は何か？ また、反復的ハードデシジョン復調はソフトデシジョンや再構成ベースの手法と比較してどのように異なるか？
• RQ3 SEE-OFDMの成分間でのエネルギー割り当ては、BERおよびSNRの観点でシステム性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 SEE-OFDMのPAPRはACO-OFDMおよび他のハイブリッドOFDMフォーマットと比較してどうか？ また、これは光光源の線形性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 HACO-OFDM、ASCO-OFDM、eU-OFDM などの他のハイブリッドOFDM方式と比較して、SEE-OFDMはBER、スペクトル効率、実装の簡便性において優れているか？

主な発見

• SEE-OFDMは、同じスペクトル効率において、ACO-OFDMと比較して3 dB以上のビット誤り率（BER）性能向上を達成した。
• 反復的ハードデシジョン減算受信機は、ソフトデシジョンおよび再構成ベースの受信機よりも1.5 dBの性能向上を実現した。
• SEE-OFDMの成分間で等エネルギー割り当てを採用すると、不均等割り当てよりも1.5 dB優れた性能が得られた。
• SEE-OFDMは、ACO-OFDMおよびハイブリッド方式を含む、比較対象のすべてのOFDMフォーマットの中で最低のピーク対平均電力比（PAPR）を達成した。
• ハードデシジョン復調を用いた場合、SEE-OFDMはHACO-OFDMに対して最大3 dB、ASCO-OFDM/eU-OFDMに対して最大1.5 dBのBER向上を示した。
• 本手法により、時間領域信号操作を一切行わず、完全な周波数領域での信号生成と実装が可能となり、ハードウェア設計が簡素化された。