[论文解读] A Comparative Study of Unipolar OFDM Schemes in Gaussian Optical Intensity Channel

Jing Zhou, Wenyi Zhang|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2017

Optical Network Technologies被引用 4

一句话总结

本文针对平均光功率受限的高斯光强信道，对单极性OFDM方案进行了对比分析。采用i.i.d.高斯码书与最近邻译码，推导出信息速率，建立了某些方案之间的等价性，并表明通过优化功率分配的分量复用方案在高信噪比下可达到与高信噪比容量相差仅0.07比特的速率。

ABSTRACT

We study the information rates of unipolar orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) in discrete-time optical intensity channels (OIC) with Gaussian noise under average optical power constraint. Several single-, double-, and multicomponent unipolar OFDM schemes are considered under the assumption that independent and identically distributed (i.i.d.) Gaussian or complex Gaussian codebook ensemble and nearest neighbor decoding (minimum Euclidean distance decoding) are used. We obtain an array of information rate result. These results validate existing signal-to-noise-and-distortion-ratio (SNDR) based rate analysis, establish the equivalence of information rates of certain schemes, and demonstrate the evident benefits of using component-multiplexing at high signal-to-noise-ratio (SNR). For double- and multi-component schemes, the component power allocation strategies that maximize the information rates are investigated. In particular, by utilizing a power allocation strategy, we prove that several multi-component schemes approach the high SNR capacity of the discrete-time Gaussian OIC under average power constraint to within 0.07 bits.

研究动机与目标

• 在平均光功率受限条件下，评估并比较各种单极性OFDM方案的信息速率。
• 研究分量复用对光强信道中频谱效率和信息速率的影响。
• 确定双分量与多分量单极性OFDM方案的最优功率分配策略，以最大化信息速率。
• 验证基于SNDR的速率分析，并建立特定单极性OFDM方案之间的性能等价性。
• 证明多分量方案可逼近离散时间高斯光强信道的高信噪比容量。

提出的方法

• 分析在平均光功率受限下具有加性高斯噪声的离散时间光强信道。
• 采用i.i.d.高斯或复高斯码书集合生成信号。
• 应用最近邻译码（最小欧几里得距离）以估计可实现的信息速率。
• 利用复值向量信道的一般框架，推导出存在收发端畸变时的广义互信息（GMI）。
• 使用GMI表达式 ${\cal I}_{\textrm{GMI}}=N\log\left(1+\frac{\Delta}{1-\Delta}\right)$，其中 $\Delta$ 通过输入信号与畸变信号的期望值定义。
• 优化译码缩放参数 $a_{\textrm{opt}}$ 以最大化GMI，从而实现最高信息速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在平均光功率受限条件下，不同单极性OFDM方案在可实现信息速率方面有何差异？
• RQ2 分量复用对光强信道中单极性OFDM信息速率有何影响？
• RQ3 哪些功率分配策略可使双分量与多分量单极性OFDM方案的信息速率最大化？
• RQ4 多分量单极性OFDM方案在多大程度上可逼近离散时间高斯光强信道的高信噪比容量？
• RQ5 在相同译码与功率约束下，是否存在某些单极性OFDM方案之间的性能等价性？

主要发现

• 在高信噪比下，双分量与多分量单极性OFDM方案中的分量复用可带来显著的性能增益。
• 在相同译码与功率约束下，某些单极性OFDM方案（如ADO-OFDM与HACO-OFDM）的信息速率被证明是等价的。
• 通过采用优化的功率分配策略，多分量方案可逼近离散时间高斯OIC的高信噪比容量，差距仅为0.07比特。
• 基于GMI的速率分析得到验证，且与现有的SNDR基于速率模型一致。
• 如FDM-UOFDM与eU-OFDM等多分量方案的自由度效率为 $1-2^{-L}$，随分量数 $L$ 增加而提高。
• 所推导的GMI框架结合最优译码缩放参数 $a_{\textrm{opt}}$，可准确估计在收发端畸变下的可实现速率。