[논문 리뷰] ACO-OFDM-Specified Recoverable Upper Clipping With Efficient Detection for Optical Wireless Communications

Wei Xu, Mengting Wu외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 13.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 8인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 복구 가능한 상단 클리핑(RoC)을 도입하여 최대-평균 전력비(PAPR)를 감소시키는 새로운 광 OFDM 방식인 RoC-ACO-OFDM을 제안한다. 여기서 클리핑된 신호 성분은 유지되고 ACO-OFDM의 영점으로 채워진 시간도메인 슬롯에 재배치된다. 최적의 MAP 검출 및 효율적인 근사 최적 검출 방법이 개발되어 기존의 방법들과 비교해 뛰어난 비트 오류율(BER) 성능을 유지하면서도 상당한 PAPR 감소를 달성한다.

ABSTRACT

The high peak-to-average-power ratio (PAPR) of orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) degrades the performance in optical wireless communication systems. This paper proposes a modified asymmetrically clipped optical OFDM (ACOOFDM) with low PAPR via introducing a recoverable upper-clipping (RoC) procedure. Although some information is clipped by a predetermined peak threshold, the clipped error information is kept and repositioned in our proposed scheme, which is named RoC-ACO-OFDM, instead of simply being dropped in conventional schemes. The proposed method makes full use of the specific structure of ACO-OFDM signals in the time domain, where half of the positions are forced to zeros within an OFDM symbol. The zero-valued positions are utilized to carry the clipped error information. Moreover, we accordingly present an optimal maximum a posteriori (MAP) detection for the RoC-ACO-OFDM system. To facilitate the usage of RoC-ACO-OFDM in practical applications, an efficient detection method is further developed with near-optimal performance. Simulation results show that the proposed RoC-ACO-OFDM achieves a significant PAPR reduction, while maintaining a competitive bit-error rate performance compared with the conventional schemes.

연구 동기 및 목표

• OFDM 기반 광무선 통신 시스템에서의 높은 PAPR 문제를 해결하기 위함.
• 클리핑된 신호 성분을 폐기하는 대신 유지함으로써 스펙트럼 효율성과 전력 효율성을 향상시키기 위함.
• 실제 광 OFDM 시스템에 구현 가능한 효율적인 검출 방법을 개발하기 위함.
• PAPR를 상당히 감소시키는 동안 낮은 비트 오류율(BER) 성능을 유지하기 위함.

제안 방법

• 임계값을 초과하는 신호 피크를 클리핑하지만, 클리핑된 오차 정보를 유지하는 복구 가능한 상단 클리핑(RoC) 절차를 도입함.
• ACO-OFDM의 고유한 시간도메인 구조를 활용함. 여기서 각 심볼당 반의 서브케이너가 영이므로, 클리핑된 오차 데이터를 임베딩함.
• ACO-OFDM 심볼의 영점 위치를 사용하여 클리핑된 성분을 재배치하고 복원함.
• 원래 데이터와 복원된 클리핑 성분을 동시에 검출하기 위한 최적의 최대사후확률(MAP) 검출 알고리즘을 개발함.
• 실시간 응용을 위한 계산 복잡도를 감소시키기 위해 근사 최적 성능을 가지는 효율적인 검출 방법을 제안함.
• 알려진 ACO-OFDM 구조를 활용해 데이터와 클리핑 성분을 함께 추정할 수 있는 구조화된 신호 모델을 활용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 클리핑 전략을 통해 ACO-OFDM의 PAPR를 상당히 감소시킬 수 있을까? 이때 BER 성능이 손상되지 않을까?
• RQ2 ACO-OFDM의 영서브케이너 구조를 활용하여 클리핑된 신호 성분을 효과적으로 복원할 수 있을까?
• RQ3 기존의 클리핑 방식과 비교해 복구 가능한 상단 클리핑을 사용할 경우 PAPR 감소 및 BER 성능 향상의 성과는 어떠한가?
• RQ4 실제 구현에 대응할 수 있는 효율적인 검출 알고리즘은 어떻게 설계할 수 있을까?
• RQ5 제안된 RoC-ACO-OFDM 프레임워크에서 PAPR 감소와 검출 복잡도 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 RoC-ACO-OFDM는 기존의 ACO-OFDM 및 OFDM 방식과 비교해 상당한 PAPR 감소를 달성한다.
• 시스템은 경쟁적인 비트 오류율(BER) 성능을 유지하여, 클리핑 정보 복원이 전송 신뢰성을 유지함을 보여준다.
• 최적의 MAP 검출은 BER 성능에서 이론적 최적에 근접한 성능을 달성하여 복원 메커니즘의 효과성을 입증한다.
• 제안된 효율적인 검출 방법은 상당히 감소된 계산 복잡도로 근사 최적 성능을 달성한다.
• 시뮬레이션 결과, RoC-ACO-OFDM는 PAPR 감소 및 스펙트럼 효율성 측면에서 기존의 방법들을 능가함을 확인한다.