[论文解读] Statistical Modelling of the Clipping Noise in OFDM-based Visible Light Communication System

Nima Taherkhani, Kamran Kıasaleh|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文提出了一种正交频 division multiplexing（OFDM）可见光通信（VLC）系统中夹钳噪声的闭式概率密度函数（PDF），挑战了在严格功率约束下夹钳信号与原始信号具有相同统计特性的常见假设。推导出的PDF使得最优接收机中能够进行统计假设检验，显著提升了在传统线性均衡失效的高动态范围场景下的性能。

ABSTRACT

This paper analyses the statistics of the clipping noise in orthogonal frequency-division-multiplex (OFDM) based visible light Communication systems. The clipped signal is generally modelled as the summation of the scaled original signal and clipping noise, which is treated by the linear equalizer in the receiver. Generally, it is assumed that the clipped and original signal share the same statistics. Although valid in some cases, we show that such assumption is invalid when the transmitter is tightly constrained. We derive closed-form probability distribution function (pdf) for the clipping noise and use the pdf for statistical hypothesis testing in an optimum receiver

研究动机与目标

• 解决在发射机功率受到严格约束时夹钳噪声建模中的统计失配问题。
• 推导OFDM-based可见光通信系统中夹钳噪声的精确概率密度函数（PDF）。
• 通过利用推导出的PDF，实现在最优接收机中的统计假设检验。
• 在高峰均功率比（PAPR）场景下，使系统性能超越线性均衡。

提出的方法

• 在峰值功率约束下，推导OFDM-based VLC系统中夹钳噪声的精确闭式概率密度函数（PDF）。
• 将夹钳信号建模为原始信号与非高斯夹钳噪声分量之和。
• 分析原始信号与夹钳噪声之间的统计依赖性，表明在严格约束下二者并非同分布。
• 应用推导出的PDF设计基于统计假设检验的接收机，以实现最优决策。
• 利用PDF计算在夹钳失真存在下的最大似然检测的似然比。
• 通过理论分析验证模型，并证明其优于传统线性均衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在OFDM-based VLC系统中，当发射机处于严格功率约束时，夹钳噪声的统计分布与原始信号相比有何偏离？
• RQ2 能否为OFDM-based可见光通信系统中的夹钳噪声推导出闭式PDF？
• RQ3 在实际高PAPR场景中，原始信号与夹钳信号具有相同统计特性的假设是否成立？
• RQ4 与线性均衡相比，所提出的统计模型如何提升检测性能？
• RQ5 推导出的PDF对夹钳影响下的VLC系统最优接收机设计有何影响？

主要发现

• 当发射机处于严格功率约束时，夹钳噪声的统计分布与原始信号不同，这否定了先前研究中的常见假设。
• 推导出夹钳噪声概率密度函数（PDF）的闭式表达式，实现了精确的统计建模。
• 推导出的PDF使得基于似然比检验的统计最优接收机得以设计，其性能优于线性均衡。
• 仿真结果表明，在高PAPR场景下，使用推导PDF的最优接收机相比传统线性均衡实现了显著的SNR增益。
• 该模型揭示夹钳噪声为非高斯分布，且其统计结构具有非平稳性，依赖于信号包络和夹钳阈值。
• 所提出方法即使在夹钳比很高时也能实现可靠检测，而线性均衡因残留载波间干扰而失效。