[논문 리뷰] Quad-LED and Dual-LED Complex Modulation for Visible Light Communication

T. Lakshmi Narasimhan, R. Tejaswi외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 29.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 29인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 복소수 기반의 복소 심벌을 허미트 대칭이 필요 없이 전송할 수 있도록 공간 다중화를 활용한 4-LED 복소 변조(QCM) 및 이중-LED 복소 변조(DCM)를 제안한다. QCM은 강도와 공간 색인을 이용해 복소수의 실수부/허수부와 그의 부호를 전송하며, DCM은 극좌표 표현 기반으로 크기와 위상을 전송한다. 이들 방법은 10⁻⁵ BER에서 최대 5 bpcu의 데이터 전송률을 달성하며, 실내 공간의 70% 영역에서 고정밀도 성능을 보이며, 기존 방법 대비 스펙트럼 효율성과 공간 균일성 면에서 뛰어난 성능을 발휘한다.

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.

연구 동기 및 목표

• OFDM 기반 VLC에서 허미트 대칭으로 인한 스펙트럼 효율성 손실 문제를 해결하기 위해 공간 영역 다중화를 활용한다.
• 다중 LED를 이용해 복소수 기반 변조 심벌(예: QAM)을 직접 전송할 수 있도록 한다.
• 기존 강도 변조 기반 방법과 비교해 비트 오류율(BER) 성능 향상과 실내 환경 전역에서의 가용 전송률 균일성 향상을 도모한다.
• 기존 LED 하드웨어 및 OFDM 시스템과 호환되는 실용적인 변조 방식인 QCM, DCM, SM-DCM을 개발한다.
• 10⁻⁵ BER를 목표로 하여 BER 상한선을 엄밀하게 분석하고, 성능 평가 및 전송률 윤곽도 맵핑에 활용한다.

제안 방법

• QCM은 4개의 LED를 사용한다: 복소수 심벌의 실수부와 허수부를 강도 변조로 전송하고, 활성화된 LED 쌍의 공간 색인을 통해 부호 정보를 전달한다.
• DCM은 2개의 LED를 사용한다: 하나는 복소수 심벌의 극좌표 표현 기반 크기 강도 변조를, 다른 하나는 위상 정보 전송을 담당한다.
• SM-DCM은 DCM을 확장한 것으로, 각 심벌 당 두 개의 LED 블록(각각 2개의 LED로 구성) 중 하나를 선택하는 공간 변조를 적용하며, 인덱스 비트를 통해 활성화된 블록을 선택한다.
• 주어진 주파수 선택성 fading 채널 환경에서 신뢰성 있는 검출을 위해 QCM-OFDM 및 DCM-OFDM에 적합한 제로 포지션(ZF) 및 최소 거리 검출기를 설계한다.
• 수신된 신호 대 잡음비(SNR)의 공간 분포와 신호 집합 기하학을 활용해 BER에 대한 엄밀한 분석적 상한선을 유도한다.
• 2.5 cm 해상도의 격자 기반 그리드를 사용해 BER 상한선을 최대 QAM 크기로 매핑함으로써 가용 전송률 윤곽도를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허미트 대칭이 필요 없이 복소수 기반 변조를 VLC에서 전송할 수 있는가? 이는 OFDM 시스템에서 50%의 스펙트럼 효율 손실을 피할 수 있음을 의미한다.
• RQ2 다중 LED의 공간 다중화 방식은 BER 성능과 스펙트럼 효율성 측면에서 복소 심벌 전송에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 10⁻⁵ BER를 목표로 할 때 QCM, DCM, SM-DCM의 가용 전송률 성능과 실내 환경 전역에서의 균일성은 어떠한가?
• RQ4 QCM에서 변조 심벌의 위상 회전은 BER 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 분석적 BER 상한선을 활용해 다중 LED를 갖는 VLC 시스템에서 공간적으로 변화하는 가용 전송률을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• QCM는 10⁻⁵ BER에서 최대 5 bpcu(32-QAM 지원)의 전송률을 달성하며, 실내 공간의 70% 영역에서 고속 전송이 가능하며, DCM 및 SM-DCM보다 고속 전송 영역에서 뛰어난 성능을 보인다.
• DCM은 10⁻⁵ BER에서 최대 4 bpcu(16-QAM)의 전송률을 달성하며, 70%의 커버리지 범위를 확보한다. 8-QAM 기준으로는 QCM보다 뛰어난 성능(90% 이상 커버리지)을 보인다.
• SM-DCM은 3–4 bpcu 범위에서 QCM 및 DCM보다 뛰어난 성능을 보이며, 공간 다중성 향상과 간섭 감소로 인해 실내 공간의 90% 이상을 커버한다.
• BER가 10⁻³ 이하일 경우 분석적 BER 상한선이 시뮬레이션 결과와 밀접하게 일치하여, 정확한 전송률 윤곽도 맵핑이 가능하다.
• QCM에서의 위상 회전은 전송 신호 벡터 간 최소 거리를 증가시켜 BER 성능 향상에 기여한다.
• 제안된 방법들은 허미트 대칭이 필요 없음을 확인하여, 기존 DCO-OFDM 또는 ACO-OFDM에서의 50% 스펙트럼 효율성 손실을 피하고, 전체 스펙트럼 효율성(1심벌당 1채널 사용)을 달성한다.