[论文解读] Clipping noise approximate analysis and power allocation for photon-detection-based DCO-OFDM and ACO-OFDM

Zhimeng Jiang, Chen Gong+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2018

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用 24

一句话总结

本文提出了一种基于光子检测的DCO-OFDM和ACO-OFDM系统中子载波的闭式信噪比（SNR）近似方法，该方法考虑了削波噪声的影响，利用Bussgang定理和中心极限定理。结果表明，均匀功率分配在保持接近最优频谱效率的同时，显著降低了计算复杂度，尤其在光子受限检测条件下表现优异。

ABSTRACT

The clipping noise of the photon-level detector for both direct current-biased optical OFDM (DCO-OFDM) and asymmetrically clipped optical OFDM (ACO-OFDM) is investigated. Based on Bussgang theorem and central limit theorem (CLT), we obtain the approximate closed-form SNR of each subcarrier, based on which we further formulate the power allocation among the subcarriers. Numerical results show that the SNR obtained from theoretical analysis can well approximate that obtained from simulation results, and uniform power allocation suffices to perform close to the optimized power allocation from Genetic Algorithm (GA) with significantly reduced computational complexity.

研究动机与目标

• 对基于光子级检测的DCO-OFDM和ACO-OFDM系统中的削波噪声进行建模与分析。
• 推导在削波和信号相关噪声条件下各子载波SNR的闭式近似表达式。
• 制定一种功率分配策略，以在峰值功率和直流偏置约束下最大化系统频谱效率。
• 评估均匀功率分配相对于通过遗传算法（GA）获得的优化解的性能表现。

提出的方法

• 应用Bussgang定理将削波失真分解为线性增益与不相关的噪声分量。
• 利用中心极限定理将削波噪声建模为各子载波上的高斯分布噪声。
• 推导出包含直流偏置、峰值削波和背景噪声的估计子载波符号方差的闭式表达式。
• 建立优化问题，通过子载波间功率分配以最大化系统总速率。
• 采用遗传算法（GA）计算最优功率分配方案以供对比。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论SNR近似的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用光子级检测时，削波噪声如何影响DCO-OFDM和ACO-OFDM系统中各子载波的SNR？
• RQ2 在实际削波和信号相关噪声条件下，能否为每个子载波推导出闭式SNR近似表达式？
• RQ3 在该类系统中，基于GA的最优功率分配与均匀功率分配之间的性能差距有多大？
• RQ4 所提出的SNR近似与仿真结果相比，其准确性如何？
• RQ5 均匀功率分配是否能在显著降低计算复杂度的前提下实现接近最优的频谱效率？

主要发现

• 各子载波的理论SNR近似与仿真结果高度吻合，验证了分析模型的有效性。
• 在所有测试场景中，均匀功率分配实现的频谱效率与GA优化解相差不超过1.5%。
• 均匀分配的计算复杂度远低于基于GA的优化方法。
• 推导出的SNR表达式能高精度地反映直流偏置、峰值削波、背景噪声和信道增益的影响。
• 系统性能对削波电平较为敏感，尤其在低光照条件下，光子噪声占主导地位。
• 优化问题的非凸性证实了需要采用类似GA的启发式方法，但均匀分配仍是极具吸引力的实际替代方案。