[论文解读] Spectrally and Energy Efficient OFDM (SEE-OFDM) for Intensity Modulated Optical Wireless Systems

Emily Lam, Sarah Kate Wilson+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2015

Optical Wireless Communication Technologies被引用 14

一句话总结

本文提出了一种新型光 OFDM 调制方案——光谱与能量高效 OFDM（SEE-OFDM），通过组合多个非对称削波 OFDM（ACO-OFDM）信号，在无需直流偏置的情况下实现了与直流偏置 OFDM（DCO-OFDM）相当的频谱效率。该方案在误码率（BER）性能上比 ACO-OFDM 提升了 3 dB，峰均功率比（PAPR）低于所有竞争方案，并且在采用硬判决迭代解码时表现最优，因此特别适用于 LiFi 等强度调制光无线通信系统。

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.

研究动机与目标

• 解决现有强度调制光 OFDM（IM/DD）方案（如 ACO-OFDM 和 DCO-OFDM）在频谱与能量效率方面的局限性。
• 开发一种新型 OFDM 格式，在不引入直流偏置能量损耗的前提下，实现与 DCO-OFDM 相当的频谱效率。
• 评估并优化 SEE-OFDM 的接收机技术，特别是迭代硬判决解码方法。
• 在误码率（BER）、PAPR 和实现复杂度方面，将 SEE-OFDM 与最先进的混合 OFDM 格式（如 HACO-OFDM、ASCO-OFDM 和 eU-OFDM）进行基准对比。

提出的方法

• SEE-OFDM 通过将多个 ACO-OFDM 分量在不同子带（如奇数、偶数或高次谐波子带）上进行叠加，构建复合信号，从而实现全频谱效率。
• 信号完全在频域通过 IFFT 和零削波生成，避免时域处理，支持高效实现。
• 接收机采用迭代硬判决相减方法，消除前序分量的干扰，提升检测精度。
• 评估了不同分量间的能量分配策略，结果表明等能量分配比不等能量分配在信噪比（SNR）上高出 1.5 dB。
• 该方法采用频域重构技术恢复各独立分量，实现无干扰解码。
• 理论分析证明，由于子带正交分配与相位抵消机制，高阶分量不会干扰低阶分量；但低阶分量会对高阶分量造成干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过组合 ACO-OFDM 信号实现与 DCO-OFDM 相当的频谱效率，且无需引入直流偏置？
• RQ2 SEE-OFDM 的最优接收机结构是什么？与软判决或基于重构的方法相比，迭代硬判决解码有何优势？
• RQ3 SEE-OFDM 各分量间的能量分配策略如何影响系统性能，特别是在误码率（BER）与信噪比（SNR）方面？
• RQ4 SEE-OFDM 的 PAPR 与 ACO-OFDM 及其他混合 OFDM 格式相比如何？这对光发射源的线性度有何影响？
• RQ5 在误码率（BER）、频谱效率和实现复杂度方面，SEE-OFDM 是否优于其他混合 OFDM 方案（如 HACO-OFDM、ASCO-OFDM 和 eU-OFDM）？

主要发现

• 在相同频谱效率下，SEE-OFDM 的误码率（BER）性能相比 ACO-OFDM 提升了 3 dB 或以上。
• 采用迭代硬判决相减的接收机比软判决和基于重构的接收机性能提升 1.5 dB。
• SEE-OFDM 各分量采用等能量分配时，性能比不等能量分配高出 1.5 dB。
• SEE-OFDM 在所有对比的 OFDM 格式中实现了最低的峰均功率比（PAPR）。
• 在使用硬判决解码时，SEE-OFDM 相比 HACO-OFDM 最多可提升 3 dB，相比 ASCO-OFDM 和 eU-OFDM 最多可提升 1.5 dB 的 BER 性能。
• 该方法实现了全频域生成与实现，无需时域信号处理，简化了硬件设计。