[논문 리뷰] Background Radiation Cancellation for Free-Space Optical Communications with IM/DD

Tianyu Song, Pooi‐Yuen Kam|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 29.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 자유공간 광학(IM/DD) 시스템을 위한 GLRT 기반의 시퀀스 수신기를 제안하며, 알려지지 않은 채널 이득과 배경 복사원을 동시에 추정함으로써 최소한의 파ilot 기반으로 근사적으로 완벽한 오류 성능을 달성한다. 비터비 유사 트렐리스 검색과 결정 피드백을 활용하여 대역폭 낭비 기법(예: PPM 또는 라인 코드)에 의존하지 않고도 저복잡도 및 고스펙트럼 효율을 달성한다.

ABSTRACT

Besides atmospheric turbulence and pointing errors which cause the signal intensity fluctuation, background radiation also impairs the free-space optical intensity-modulation / direct-detection link performance by introducing a noisy photocurrent component in the receiver. Methods such as adopting some specific optics systems, using pilot symbols or line codes to estimate the background information and cancel it accordingly, and pulse-position modulation (PPM), can be adopted to mitigate the impact of background radiation. However, purely depending on the optics system, the background radiation can only be reduced, but not completely cancelled; and the use of any of pilot symbols, line codes and PPM reduces the system spectral efficiency drastically. In this paper, based on the generalized likelihood ratio test (GLRT) principle, we develop a Viterbi-type trellis-search sequence receiver (the GLRT sequence receiver) that can estimate the unknown channel gain and the background radiation simultaneously, and detect the data sequence accordingly. This receiver requires very few pilot symbols, and therefore, does not significantly reduce the bandwidth efficiency. Its error performance can approach that of detection with perfect information of the channel state and the background radiation, as the observation window length used for forming the decision metric increases. Since a Viterbi-type trellis-search algorithm is adopted, the search complexity is very low and is independent of the observation window size. However, the search complexity of the GLRT sequence receiver grows exponentially with the modulation order. To further simplify the implementation, we derive a more efficient decision-feedback symbol-by-symbol receiver which retains the same error performance as that of the GLRT sequence receiver.

연구 동기 및 목표

• 배경 복사로 인한 성능 저하 문제를 해결하기 위해 자유공간 광학(FSO) 강도변조/직접검출(IM/DD) 시스템의 성능 저하를 해결한다.
• 광학적 감소, 파ilot 기반 추정, 라인 코드 또는 PPM와 같은 기존 방법의 한계를 극복하기 위해, 배경 복사를 완전히 제거하지 못하거나 스펙트럼 효율을 심각하게 저하시키는 기법들을 해결한다.
• 완벽한 채널 상태 정보가 없더라도 알려지지 않은 채널 이득과 배경 복사원을 동시에 추정할 수 있는 수신기를 개발한다.
• 추정에 사용되는 파ilot 기반의 수를 최소화하여 스펙트럼 효율을 유지한다.
• 효율적인 신호 검출 알고리즘을 통해 저복잡도로 근사 최적의 오류 성능을 달성한다.

제안 방법

• 채널 이득과 배경 복사원력을 동시에 추정하는 일반화된 우도비(GLRT) 기반의 시퀀스 수신기를 개발한다.
• 관측 윈도우 크기에 영향을 받지 않는 복잡도를 보장하기 위해 비터비 유사 트렐리스 검색 알고리즘을 적용하여 데이터 시퀀스를 효율적으로 검출한다.
• 결정 지표를 형성하기 위해 짧은 관측 윈도우를 사용하여 윈도우 길이가 증가함에 따라 근사 최적의 성능을 달성한다.
• 시퀀스 수신기의 오류 성능을 동일하게 유지하면서도 복잡도를 감소시킨 상황별 결정 피드백 수신기를 유도한다.
• 배경 복사원과 채널 감쇠의 통계적 성질을 활용하여 우도 기반의 검출 지표를 설계한다.
• GLRT 프레임워크 내에서 데이터 보조 추정에 의존함으로써 파ilot 오버헤드를 최소화하고, PPM 또는 라인 코드와 같은 대역폭 집약적인 기법을 피한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FSO IM/DD 시스템에서 최소한의 파ilot 기반으로 채널 이득과 배경 복사원을 동시에 추정할 수 있는가?
• RQ2 제안된 GLRT 시퀀스 수신기의 오류 성능은 완벽한 채널 및 배경 상태 정보가 있는 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 제안된 수신기 아키텍처에서 검출 복잡도와 성능 간의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ4 상황별 결정 피드백 수신기는 시퀀스 수신기와 동일한 오류 성능을 달성하면서도 구현 복잡도를 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 기존의 배경 복사 제거 기법(예: PPM 또는 라인 코드)과 비교해 제안된 방법이 스펙트럼 효율을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 관측 윈도우 길이가 증가함에 따라 GLRT 시퀀스 수신기는 완벽한 채널 및 배경 상태 정보가 있는 경우의 검출 성능에 근접하는 오류 성능을 달성한다.
• 수신기는 파ilot 기반의 수를 극히 적게 사용하여 PPM와 같은 파ilot 시퀀스나 변조 방식을 사용하는 기법들에 비해 스펙트럼 효율을 크게 유지한다.
• 비터비 유사 트렐리스 검색 알고리즘이 낮고 윈도우 크기와 무관한 복잡도를 보장하여 더 긴 시퀀스에 대한 확장성도 확보한다.
• 유도된 결정 피드백 수신기는 시퀀스 수신기와 동일한 오류 성능을 달성하면서도 상당히 감소된 계산 복잡도를 보인다.
• 광학 필터링이나 대역폭 낭비가 심한 변조 형식에 의존하지 않고도 효과적으로 배경 복사원을 제거하여 실세계 FSO 시스템에 실용적인 솔루션을 제공한다.
• 실제 FSO 채널 조건 하에서 스펙트럼 효율성과 오류율 성능 측면에서 기존 기법들보다 제안된 접근법이 뛰어나다.