[论文解读] ACO-OFDM-Specified Recoverable Upper Clipping With Efficient Detection for Optical Wireless Communications

Wei Xu, Mengting Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 8被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新型光 OFDM 方案 RoC-ACO-OFDM，通过引入可恢复的上 clipping（RoC），降低了峰均功率比（PAPR）。在该方案中，被 clipping 的信号分量被保留并重新定位到 ACO-OFDM 的零填充时域时隙中。本文开发了最优 MAP 检测方法与一种高效的近似最优检测方法，在与传统方案相比保持竞争力误比特率（BER）性能的同时，实现了显著的 PAPR 降低。

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.

研究动机与目标

• 为解决基于 OFDM 的光无线通信系统中的高 PAPR 问题。
• 通过保留被 clipping 的信号分量而非丢弃它们，提升频谱效率与功率效率。
• 开发一种与实际光 OFDM 系统实现兼容的高效检测方法。
• 在显著降低 PAPR 的同时，保持低误比特率（BER）性能。

提出的方法

• 提出一种可恢复上 clipping（RoC）过程，对超过阈值的信号峰值进行 clipping，但保留被 clipping 的误差信息。
• 利用 ACO-OFDM 固有的时域结构，即每个符号中一半子载波为零，将被 clipping 的误差数据嵌入其中。
• 利用 ACO-OFDM 符号中的零位置作为专用区域，重新定位并恢复被 clipping 的信号分量。
• 开发一种最优最大后验概率（MAP）检测算法，联合检测原始数据与恢复的 clipping 分量。
• 提出一种计算复杂度更低的高效检测方法，实现近似最优性能，适用于实时应用。
• 采用结构化信号模型，利用已知的 ACO-OFDM 结构，实现对数据与 clipping 分量的联合估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过一种新型 clipping 策略，能否在不牺牲 BER 性能的前提下显著降低 ACO-OFDM 中的 PAPR？
• RQ2 能否通过利用 ACO-OFDM 的零子载波结构，有效恢复被 clipping 的信号分量？
• RQ3 与传统 clipping 相比，使用可恢复上 clipping 时，在 PAPR 降低与 BER 性能方面的增益如何？
• RQ4 如何设计一种高效检测算法，以支持 RoC-ACO-OFDM 系统的实际部署？
• RQ5 在所提出的 RoC-ACO-OFDM 框架中，PAPR 降低与检测复杂度之间的权衡关系如何？

主要发现

• 所提出的 RoC-ACO-OFDM 相较于传统 ACO-OFDM 与 OFDM 方案，实现了显著的 PAPR 降低。
• 该系统保持了具有竞争力的误比特率（BER）性能，表明被 clipping 信息的恢复有效维持了传输可靠性。
• 最优 MAP 检测在 BER 方面接近理论极限性能，验证了恢复机制的有效性。
• 所提出的高效检测方法在显著降低计算复杂度的同时，实现了近似最优性能。
• 仿真结果证实，RoC-ACO-OFDM 在 PAPR 降低与频谱效率方面均优于传统方案。