[논문 리뷰] A Comparative Study of Unipolar OFDM Schemes in Gaussian Optical Intensity Channel

Jing Zhou, Wenyi Zhang|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 14.

Optical Network Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 평균 광학 전력 제약 조건이 있는 가우시안 광학 강도 채널에서 이단극성 OFDM 방식의 비교 분석을 제시한다. 동일분포를 가진 가우시안 코드북과 최근접 이웃 디코딩을 사용하여 정보 수신률을 유도하고, 특정 방식들 간의 등가성을 확립하며, 최적의 전력 할당을 적용한 구성 요소 다중화 방식이 고신호대역비(SNR)에서 이론적 최대 수신률과 0.07비트 이내로 수렴함을 보여준다.

ABSTRACT

We study the information rates of unipolar orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) in discrete-time optical intensity channels (OIC) with Gaussian noise under average optical power constraint. Several single-, double-, and multicomponent unipolar OFDM schemes are considered under the assumption that independent and identically distributed (i.i.d.) Gaussian or complex Gaussian codebook ensemble and nearest neighbor decoding (minimum Euclidean distance decoding) are used. We obtain an array of information rate result. These results validate existing signal-to-noise-and-distortion-ratio (SNDR) based rate analysis, establish the equivalence of information rates of certain schemes, and demonstrate the evident benefits of using component-multiplexing at high signal-to-noise-ratio (SNR). For double- and multi-component schemes, the component power allocation strategies that maximize the information rates are investigated. In particular, by utilizing a power allocation strategy, we prove that several multi-component schemes approach the high SNR capacity of the discrete-time Gaussian OIC under average power constraint to within 0.07 bits.

연구 동기 및 목표

• 평균 광학 전력 제약 조건 하에서 다양한 이단극성 OFDM 방식의 정보 수신률을 평가하고 비교하는 것.
• 광학 강도 채널에서 구성 요소 다중화가 스펙트럼 효율성과 정보 수신률에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 이중 및 다중 구성 요소 이단극성 OFDM 방식의 정보 수신률을 극대화하기 위한 최적의 전력 할당 전략을 규명하는 것.
• SNDR 기반 수신률 분석의 타당성을 검증하고, 특정 이단극성 OFDM 방식 간의 성능 등가성을 확립하는 것.
• 다중 구성 요소 방식이 이산 시간 가우시안 광학 강도 채널의 고신호대역비에서 이론적 최대 수신률에 얼마나 가까이 도달할 수 있는지 보여주는 것.

제안 방법

• 평균 광학 전력 제약 조건 하에서 추가 가우시안 노이즈가 있는 이산 시간 광학 강도 채널을 분석한다.
• 신호 생성을 위해 동일분포를 가진 가우시안 또는 복소수 가우시안 코드북 집합을 사용한다.
• 가능한 정보 수신률을 추정하기 위해 최근접 이웃 디코딩(최소 유클리드 거리 기반)을 적용한다.
• 복소수 벡터 채널에 대한 일반적인 프레임워크를 사용하여 전송기/수신기 왜곡이 있는 채널에 대한 일반화된 상호정보량(GMI)을 유도한다.
• 입력 및 왜곡된 신호의 기대값을 통해 정의된 $\Delta$를 사용하여 식 ${\cal I}_{\textrm{GMI}}=N\log\left(1+\frac{\Delta}{1-\Delta}\right)$ 를 사용한다.
• GMI를 극대화하고 최고의 정보 수신률을 달성하기 위해 디코딩 스케일링 파라미터 $a_{\textrm{opt}}$ 를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평균 광학 전력 제약 조건 하에서 다양한 이단극성 OFDM 방식의 가능한 정보 수신률은 어떻게 비교할 수 있는가?
• RQ2 광학 강도 채널에서 구성 요소 다중화가 이단극성 OFDM의 정보 수신률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이중 및 다중 구성 요소 이단극성 OFDM 방식에서 정보 수신률을 극대화하기 위한 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 다중 구성 요소 이단극성 OFDM 방식은 이산 시간 가우시안 광학 강도 채널의 고신호대역비에서 이론적 최대 수신률에 얼마나 가까이 도달할 수 있는가?
• RQ5 동일한 디코딩 및 전력 제약 조건 하에서 일부 이단극성 OFDM 방식 간에 성능의 등가성이 존재하는가?

주요 결과

• 이중 및 다중 구성 요소 이단극성 OFDM 방식에서의 구성 요소 다중화는 고신호대역비에서 뚜렷한 성능 향상을 제공한다.
• 동일한 디코딩 및 전력 제약 조건 하에서 ADO-OFDM 및 HACO-OFDM와 같은 일부 이단극성 OFDM 방식의 정보 수신률은 상호 등가임을 입증한다.
• 최적의 전력 할당 전략을 적용함으로써 다중 구성 요소 방식은 이산 시간 가우시안 OIC의 고신호대역비에서 이론적 최대 수신률과 0.07비트 이내로 수렴한다.
• GMI 기반 수신률 분석은 기존의 SNDR 기반 수신률 모델과 일관됨을 입증하고 타당성을 입증한다.
• FDM-UOFDM 및 eU-OFDM와 같은 다중 구성 요소 방식의 자유도 효율은 $1-2^{-L}$ 로서 구성 요소 수 $L$ 이 증가함에 따라 증가한다.
• 최적의 디코딩 스케일링 $a_{\textrm{opt}}$ 를 포함한 유도된 GMI 프레임워크는 전송기/수신기 왜곡이 존재하는 조건에서도 가능한 수신률을 정확하게 추정할 수 있다.