[論文レビュー] Statistical Modelling of the Clipping Noise in OFDM-based Visible Light Communication System

Nima Taherkhani, Kamran Kıasaleh|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、周波数割り当て多重（OFDM）を用いた可視光通信（VLC）システムにおけるクランプノイズの閉形式確率密度関数（PDF）を提案し、高密度動態範囲条件下で従来の線形イコライゼーションが失敗する状況において、送信機の出力が厳密に制限される場合に、クランプ処理された信号と元の信号が同一の統計的性質を持つという一般的な仮定に疑問を呈する。導出されたPDFにより、最適受信機における統計的仮説検定が可能となり、性能が顕著に向上する。

ABSTRACT

This paper analyses the statistics of the clipping noise in orthogonal frequency-division-multiplex (OFDM) based visible light Communication systems. The clipped signal is generally modelled as the summation of the scaled original signal and clipping noise, which is treated by the linear equalizer in the receiver. Generally, it is assumed that the clipped and original signal share the same statistics. Although valid in some cases, we show that such assumption is invalid when the transmitter is tightly constrained. We derive closed-form probability distribution function (pdf) for the clipping noise and use the pdf for statistical hypothesis testing in an optimum receiver

研究の動機と目的

• 送信機出力が厳密に制限される状況におけるクランプノイズモデリングにおける統計的不一致を解消すること。
• OFDMを用いた可視光通信システムにおけるクランプノイズの正確な確率分布関数（PDF）を導出すること。
• 導出されたPDFを活用して、最適受信機における統計的仮説検定を可能にすること。
• ピーク対平均電力比（PAPR）が高い状況において、従来の線形イコライゼーションを超えるシステム性能を向上させること。

提案手法

• ピーク電力制約下におけるOFDMを用いたVLCシステムにおけるクランプノイズの正確な閉形式確率密度関数（PDF）を導出する。
• クランプ信号を元の信号と非ガウス的クランプノイズ成分の和としてモデル化する。
• 元の信号とクランプノイズの統計的依存関係を分析し、厳密な制約下では両者が同一分布に従わないことを示す。
• 導出されたPDFを活用して、最適意思決定のための統計的仮説検定に基づく受信機を設計する。
• PDFを用いて、クランプ歪みが存在する状況における最尤検出の尤度比を計算する。
• 理論的分析を通じてモデルを検証し、従来の線形イコライゼーションよりも優れた性能を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OFDMを用いたVLCシステムにおいて、送信機出力が厳密に制限される状況下で、クランプノイズの統計的分布は元の信号とどのように乖離するか？
• RQ2 OFDMを用いた可視光通信システムにおけるクランプノイズに対して、閉形式PDFを導出できるか？
• RQ3 実用的な高PAPR状況下でも、元の信号とクランプ信号の統計的性質が同一であるという仮定は成り立つか？
• RQ4 提案された統計的モデルは、線形イコライゼーションと比較して、検出性能をどのように向上させるか？
• RQ5 導出されたPDFは、クランプ影響を受けるVLCシステムにおける最適受信機設計にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 送信機の出力が厳密に制限される状況では、クランプノイズは元の信号と同一の統計的分布に従わないことが判明し、従来の研究における一般的な仮定が誤りであることが示された。
• クランプノイズの確率密度関数（PDF）に対する閉形式表現が導出され、正確な統計的モデリングが可能となった。
• 導出されたPDFにより、尤度比検定に基づく統計的最適受信機の設計が可能となり、線形イコライゼーションを上回る性能を発揮した。
• シミュレーション結果から、導出されたPDFを用いた最適受信機は、高PAPR領域において従来の線形イコライゼーションと比較して顕著なSNR向上を達成した。
• モデルは、クランプノイズが非ガウス的であり、信号のエンベロープとクランプしきい値に依存する非定常な統計的構造を有することを明らかにした。
• 提案手法により、線形イコライゼーションが残りの周波数間干渉により失敗する高クランプ比状況下でも、信頼性の高い検出が可能となった。