High Speed Energy Efficient Incoherent Optical Wireless Communications

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无线可见光通信的博士论文
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Thesis Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Background 10
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Optical Wireless Communication Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Optical Wireless Communication System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Front-end Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.1 Transmitter Front-end . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.2 Receiver Front-end . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Optical Wireless Communication Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6 Noise in Optical Wireless Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.7 Modulation Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.7.1 Single-carrier Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.7.2 Multi-carrier Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.8 Non-linear Distortion in OFDM-based OWC Systems . . . . . . . . . . . . . . 30
2.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 An Analytical Framework for Subcarrier-Index Modulation OFDM 33
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Subcarrier-Index Modulation (SIM) OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2 Theoretical Bit-error Rate (BER) Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 Enhanced Subcarrier-Index Modulation (SIM) OFDM . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.2 Theoretical Bit-error-rate Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.4 Peak-to-average Power Ratio (PAPR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4 Unipolar Orthogonal Frequency Division Multiplexing 57
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
v
Contents
4.2 Unipolar OFDM (U-OFDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.2 Theoretical Bit-error-rate Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3 Enhanced Unipolar Orthogonal Frequency Division Multiplexing (U-OFDM) . 77
4.3.1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.2 Spectral Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.3 Theoretical Bit-error-rate Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.4 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4 Extension to Other Unipolar OFDM-based Modulation Schemes . . . . . . . . 89
4.4.1 Asymmetrically-clipped Optical OFDM (ACO-OFDM) . . . . . . . . 89
4.4.2 Pulse-amplitude-modulated Discrete Multitone Modulation (PAM-DMT) 90
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5 Non-linear Distortion in OFDM-based Modulation Schemes for OWC 92
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2.1 asymmetrically clipped optical orthogonal frequency division multiplexing
(ACO-OFDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2.2 pulse-amplitude-modulated discrete multitone modulation (PAM-DMT) 99
5.2.3 U-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3 Complete Framework for a Closed-form Theoretical Analysis of Non-linear
Distortion in OFDM-based OWC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.4 Application to OFDM-based Modulation Schemes . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4.1 DC-biased Optical OFDM (DCO-OFDM) . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4.2 Asymmetrically-clipped Optical OFDM (ACO-OFDM) . . . . . . . . 104
5.4.3 Pulse-amplitude-modulated Discrete Multitone Modulation (PAM-DMT)106
5.4.4 Unipolar Orthogonal Frequency Division Multiplexing (U-OFDM) . . 106
5.5 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6 Experimental Demonstration of High-speed OpticalWireless Communication Using
OFDM 116
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2 Envisioned Usage Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.3 Experiment I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.3.1 Experimental Set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.3.2 Modulation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.3.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.4 Experiment II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.4.1 Experimental Set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.4.2 Modulation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.4.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.5 Energy-efficient OFDM Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.5.1 Experimental Set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.5.2 Signal Processing Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.5.3 Performance Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
vi
Contents
7 Conclusions, Limitations and Future work 145
7.1 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.2 Limitations and Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
A Derivation of the D-Function for Equations (5.11), (5.12) and (5.13) 152
B Selected Publications 154
B.1 Journal Articles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
B.2 Magazine Articles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
B.3 Conference Papers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
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2022-6-21 10:49 上传

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