[논문 리뷰] Spectrally and Energy Efficient OFDM (SEE-OFDM) for Intensity Modulated Optical Wireless Systems

Emily Lam, Sarah Kate Wilson외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 27.

Optical Wireless Communication Technologies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 DC-비이득을 요구하지 않으면서 DCO-OFDM 수준의 스펙트럼 효율성을 달성하는 새로운 광 OFDM 변조 방식인 스펙트르 및 에너지 효율적 OFDM(SEE-OFDM)을 제안한다. 여러 비대칭 클립된 OFDM(ACO-OFDM) 신호를 조합하여 구현되며, 이로 인해 ACO-OFDM보다 3 dB 우수한 비트 오류율(BER) 성능을 보이며, 모든 경쟁 기술보다 낮은 PAPR를 가지며, 하드 디시전 반복 디코딩을 통해 최적의 성능을 발휘하여 LiFi와 같은 강도 변조 광무선 시스템에 이상적이다.

ABSTRACT

Spectrally and energy efficient orthogonal frequency division multiplexing (SEE-OFDM) is an optical OFDM technique based on combining multiple asymmetrically clipped optical OFDM (ACO-OFDM) signals into one OFDM signal. By summing different components together, SEE-OFDM can achieve the same spectral efficiency as DC-biased optical OFDM (DCO-OFDM) without an energy-inefficient DC-bias. This paper introduces multiple methods for decoding a SEE-OFDM symbol and shows that an iterative decoder with hard decisions gives the best performance. Being a multi-component format, different energy allocation amongst the different components of SEE-OFDM is possible. However, equal energy allocation performs 1.5 dB better than unequal energy allocation. A hard-decision, iterative subtraction receiver can further increase performance by another 1.5 dB over soft-decision subtraction and reconstruction receivers. SEE-OFDM consistently performs 3 dB or better and with higher spectral efficiency than ACO-OFDM at the same bit-error-rate (BER). Comparing other combination methods at the same BER, SEE-OFDM performs up to 3 dB better than hybrid asymmetrically clipped optical (OFDM) (HACO-OFDM) and up to 1.5 dB better than asymmetrically and symmetrically clipped optical OFDM (ASCO-OFDM) and enhanced unipolar OFDM (eU-OFDM) when using hard decisions at the receiver. Additionally, SEE-OFDM has the best peak-to-average-power rate (PAPR) as compared to the other combination OFDM formats and ACO-OFDM, which makes it excellent for any range limited optical source, such as laser diodes and light-emitting diodes (LEDs). In summary, SEE-OFDM is shown to have excellent properties to glean additional capacity from an intensity modulation and direct detection (IM/DD) optical wireless communications system.

연구 동기 및 목표

• 기존의 강도 변조 광 OFDM(IM/DD) 기술인 ACO-OFDM 및 DCO-OFDM의 스펙트럼 및 에너지 효율성 한계를 해결하기 위해.
• DC-비이득이 필요 없이 DCO-OFDM 수준의 스펙트럼 효율성을 달성하는 새로운 OFDM 포맷을 개발하기 위해.
• SEE-OFDM의 수신 기술을 평가하고 최적화하기 위해, 특히 반복 하드 디시전 디코딩을 중심으로.
• BER, PAPR, 구현 복잡도 측면에서 SEE-OFDM을 HACO-OFDM, ASCO-OFDM, eU-OFDM와 같은 최첨단 하이브리드 OFDM 포맷과 비교 평가하기 위해.

제안 방법

• SEE-OFDM는 서로 다른 서브밴드 그룹(예: 홀수, 짝수, 또는 고조파)에 각각 변조된 다수의 ACO-OFDM 구성요소를 합하여 전체 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 신호는 시간 도메인 조작을 피하기 위해 IFFT와 제로 클리핑을 사용하여 전적으로 주파수 도메인에서 생성되며, 이로 인해 효율적인 구현이 가능하다.
• 수신기는 이전 구성요소에서 유래한 간섭을 제거하기 위해 반복 하드 디시전 빼기 방법을 사용하여 검출 정확도를 향상시킨다.
• 다양한 구성요소 간 에너지 할당 전략을 평가하였으며, 동일 할당이 비균형 할당보다 1.5 dB SNR 성능 향상으로 우수하다.
• 개별 구성요소를 복원하기 위해 주파수 도메인 재구성 기법을 사용하여 간섭 없는 디코딩을 가능하게 한다.
• 이론적 분석을 통해 고차 성분은 정규화된 서브밴드 할당과 위상 보정으로 인해 저차 성분에 간섭하지 않지만, 이전 성분은 이후 성분에 간섭함을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ACO-OFDM 신호의 조합이 DC-비이득 없이 DCO-OFDM 수준의 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 SEE-OFDM의 최적 수신 구조는 무엇이며, 반복 하드 디시전 디코딩은 소프트 디시전 또는 재구성 기반 방법과 비교해 어떻게 성능이 다른가?
• RQ3 SEE-OFDM 구성요소 간 에너지 할당 전략이 BER 및 SNR 측면에서 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 SEE-OFDM의 PAPR는 ACO-OFDM 및 기타 하이브리드 OFDM 포맷과 비교해 어떻게 되며, 이는 광원의 선형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 HACO-OFDM, ASCO-OFDM, eU-OFDM와 같은 다른 하이브리드 OFDM 기술보다 SEE-OFDM이 BER, 스펙트럼 효율성, 구현 간편성 측면에서 뛰어나다고 할 수 있는가?

주요 결과

• SEE-OFDM는 동일한 스펙트럼 효율성에서 ACO-OFDM보다 3 dB 이상 우수한 비트 오류율(BER) 성능을 달성한다.
• 반복 하드 디시전 빼기 수신기는 소프트 디시전 및 재구성 기반 수신기보다 1.5 dB 성능 향상을 보인다.
• SEE-OFDM 구성요소 간 동일 에너지 할당 전략이 비균형 할당 전략보다 1.5 dB 우수한 성능을 발휘한다.
• SEE-OFDM는 ACO-OFDM 및 하이브리드 기술을 포함한 모든 비교된 OFDM 포맷 중에서 가장 낮은 피크 대 평균 전력 비율(PAPR)을 기록한다.
• 하드 디시전 디코딩을 사용할 경우 SEE-OFDM은 HACO-OFDM에 비해 최대 3 dB, ASCO-OFDM/eU-OFDM에 비해 최대 1.5 dB BER 성능 향상을 보인다.
• 이 방법은 시간 도메인 신호 조작 없이 전체 주파수 도메인에서의 생성 및 구현을 가능하게 하여 하드웨어 설계를 단순화한다.