[论文解读] Quad-LED and Dual-LED Complex Modulation for Visible Light Communication

T. Lakshmi Narasimhan, R. Tejaswi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 29被引用 14

一句话总结

本文提出了一种四LED复用调制（QCM）和双LED复用调制（DCM）方案，用于可见光通信，通过多LED的空间复用技术传输复数符号，无需使用厄米特对称性。QCM利用四个LED，通过光强和空间索引分别传输复数符号的实部、虚部及其符号信息；DCM则利用两个LED，分别传输幅度和相位（基于复数符号的极坐标表示）。该方案在10⁻⁵误码率下实现高达5 bpcu的频谱效率，覆盖率达70%，在频谱效率和空间均匀性方面优于传统方法。

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.

研究动机与目标

• 通过利用空间域复用技术，克服OFDM可见光通信中因厄米特对称性带来的频谱效率损失。
• 在可见光通信中，利用多个LED实现复数调制符号（如QAM）的直接传输。
• 与传统的强度调制方案相比，提升误码率（BER）性能和室内环境中可实现速率的空间均匀性。
• 开发适用于现有LED硬件和OFDM系统的实用调制方案——QCM、DCM和SM-DCM。
• 在目标误码率为10⁻⁵的条件下，推导出紧致的误码率（BER）上界，用于性能评估和速率轮廓映射。

提出的方法

• QCM使用四个LED：两个用于调制复数符号的实部与虚部的幅度，通过空间索引确定激活的LED对以传递符号的正负信息。
• DCM使用两个LED：一个用于调制幅度（强度调制），另一个用于调制相位，基于复数符号的极坐标表示。
• SM-DCM通过在每个符号周期内从两个LED组（每组含两个LED）中选择一个激活组，应用空间调制技术，利用一位索引比特选择激活的LED组。
• 为QCM-OFDM和DCM-OFDM设计了迫零检测器和最小距离检测器，以在频率选择性衰落信道中实现可靠检测。
• 基于接收信噪比（SNR）的空间分布和信号星座图几何结构，推导出误码率（BER）的紧致解析上界。
• 通过在2.5 cm空间分辨率网格上，将误码率上界映射到每个接收位置的最大QAM阶数，计算可实现速率轮廓。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖厄米特对称性的情况下，在可见光通信中传输复数调制符号，从而避免OFDM系统中50%的频谱效率损失？
• RQ2 多LED的空间复用在提升复数符号传输的误码率（BER）性能和频谱效率方面有何改善？
• RQ3 在10⁻⁵误码率目标下，QCM、DCM和SM-DCM在室内环境中的可实现速率性能和空间均匀性如何？
• RQ4 QCM中调制符号的相位旋转如何影响其误码率（BER）性能？
• RQ5 能否利用解析的误码率（BER）上界准确预测多LED可见光通信系统中空间变化的可实现速率？

主要发现

• QCM在10⁻⁵误码率下实现最高5 bpcu的数据速率（支持32-QAM），覆盖70%的室内区域，其在高数据率覆盖范围方面优于DCM和SM-DCM。
• DCM在10⁻⁵误码率下实现最高4 bpcu的数据速率（16-QAM），覆盖率达70%，在8-QAM调制下性能优于QCM（覆盖超过90%）。
• SM-DCM在3–4 bpcu速率下性能优于QCM和DCM，覆盖超过90%的室内区域，得益于增强的空间分集增益和干扰降低。
• 在误码率低于10⁻³时，解析的误码率（BER）上界与仿真结果高度吻合，可实现准确的速率轮廓映射。
• QCM中的相位旋转通过增加发送信号矢量之间的最小距离，提升了误码率（BER）性能。
• 所提出的方案消除了对厄米特对称性的依赖，实现了全频谱效率（每信道使用1个符号），相比传统DCO-OFDM或ACO-OFDM的50%效率有显著提升。