Energy Efficient Optical Wireless Communications based on Frequency-Shift Keying Modulations.
Communications Optiques sans-fil à Haute Efficacité Energétique basées sur les Modulations de Fréquence .
Résumé
Optical wireless communications (OWC) is an appropriate technology to alleviate the scarcity issue of the radio-frequency (RF) spectrum. For OWC technology, the transmitted signals should be real-valued and unipolar to satisfy the constraints of the intensity modulation and direct detection (IM-DD). OWC have been extensively investigated for pervasive applications in high data rate communications which is based on pulse-amplitude modulation (PAM), optical-orthogonal frequency-division multiplexing (O-OFDM), etc. Recent research has confirmed the interest of OWC low data rate (100 kbps to 1 Mbps) applications, requiring high energy efficiency. In this context, frequency-shift keying (FSK) raised considerable interest for OWC technology. For IM-DD OWC systems, the conventional M-ary FSK is not compatible because of the bipolar nature of the FSK waveforms, but two compatible variants of FSK modulation have been introduced in the literature for OWC systems, i.e., direct current (DC)-FSK and unipolar (U)-FSK.The current work focuses on high energy-efficient modulation approaches for OWC, which are based on extensions/adaptations of the conventional M-ary FSK modulations. After the review of the state-of-the-art, a new modulation scheme called M-ary asymmetrically clipped (AC)-FSK is presented for high energy-efficient/low data rate OWC, which is based on the conventional bipolar M-ary FSK. Traditional receivers such as optimal time-domain (TD) receiver (based on maximum likelihood (ML) detection), and sub-optimal receiver (based on 1-tap DCT-based detection) exhibit the trade-off between the energy efficiency and the receiver complexity. A new frequency-domain (FD) low complexity receiver called L-tap harmonic receiver is proposed for the proposed M-ary AC-FSK and state-of-the-art M-ary U-FSK, that alleviates the energy-efficiency and the receiver complexity trade-off. Simulation results confirm that the bit error rate (BER) performance of the proposed M-aryAC-FSK is far better than the state-of-the-art M-ary DC-FSK, and its BER performance is slightly improved as compared to the state-of-the-art M-ary U-FSK. Moreover, simulation results also confirm that the proposed L-tap harmonic receiver for both M-ary AC-FSK and M-ary U-FSK approaches the optimal TD ML receiver performance with a benefit of the drastic reduction in the receiver complexity.Secondly, a new modulation approach, i.e., Asymmetrically Clipped Frequency and Phase Shift Keying (AC-FPSK) is proposed for IM-DD OWC applications that is based on the amalgamation of M-ary AC-FSK and phase-shift keying (PSK). It is highlighted that AC-FPSK shows improved energy efficiency and spectral efficiency as compared to M-ary AC-FSK.Finally, an experimental demonstration of the proposed M-ary AC-FSK and the proposed L-tap harmonic receiver is presented and compared with the state-of-the-art FSK-based modulations. The experimental setup is based on commercial off-the-shelf components and a software defined radio (SDR) test bench. The experimental results confirm the validity of the proposed schemes in the thesis.
Les communications optiques sans fil (OWC) sont prometteuses pour pallier au problème de la saturation du spectre radiofréquence (RF). Dans la technologie OWC, les signaux transmis doivent être à valeur réelle et unipolaires pour satisfaire aux contraintes de la modulation d’intensité et de la détection directe (IM-DD). Les OWC ont fait l’objet de nombreuses études pour les applications haut débit, basées sur la modulation d’impulsion en amplitude (PAM), le multiplexage par répartition en fréquences orthogonales optique (O-OFDM), etc. Des recherches récentes ont confirmé l’intérêt des OWC pour des applications bas débit (100 kbps à 1 Mbps), nécessitant une grande efficacité énergétique. Dans ce contexte, la modulation par déplacement de fréquence (FSK) a suscité un intérêt considérable. Pour les systèmes OWC IM-DD, la modulation M-aire FSK classique n’est pascompatible en raison de la nature bipolaire des formes d’ondes FSK, mais 2 variantes compatibles ont été introduites dans la littérature et nous serviront de référence: la modulation à courant direct (DC)-FSK et la modulation unipolaire (U)-FSK.Ce travail de thèse se concentre ainsi sur les approches de modulation à haute efficacité énergétique pour les OWC, basées sur des extensions/adaptations de la modulation conventionnelle M-aire FSK. Après un examen de l’état de l’art, un nouveau schéma de modulation appelé M-aire asymmetrically clipped (AC)-FSK est présenté pour les OWC à haute efficacité énergétique et bas débit. Les récepteurs traditionnels tels que le récepteur optimal dans le domaine temporel (basé sur la détection par maximum de vraisemblance (ML)) et le récepteur sous-optimal (basé sur la détection par DCT à 1 coefficient) présentent un compromis entre l’efficacité énergétique et la complexité du récepteur. Unnouveau récepteur à faible complexité opérant dans le domaine des fréquences (FD), appelé récepteur harmonique à L coefficients, est proposé pour les modulations M-aire AC-FSK (proposée) et M-aire U-FSK (littérature). Ce dernier améliore le compromis entre l’efficacité énergétique et la complexité du récepteur. Les résultats de simulation confirment que la performance en taux d’erreur binaire (BER) de la M-aire AC-FSK proposée est bien meilleure que celle de la M-aire DC-FSK de l’état de l’art, et qu’elle est légèrement améliorée par rapport à celle de la modulation M-aire U-FSK de la littérature. De plus, les résultats de simulation confirment également que le récepteur harmonique àL-coefficients pour la M-aire AC-FSK et la M-aire U-FSK approchent les performances du récepteur optimal ML, avec l’avantage d’une réduction importante de la complexité du récepteur.Deuxièmement, une nouvelle approche de modulation, appelée Asymmetrically Clipped Frequency and Phase Shift Keying (AC-FPSK) est proposée pour les applications OWC IM-DD. Elle est basée sur l’amalgame de la modulation M-aire AC-FSK et de la modulation par déplacement de phase (PSK). Il est mis en évidence que la modulation AC-FPSK présente une amélioration du compromis entre efficacité énergétique et spectrale par rapport à la modulation M-aire AC-FSK.Enfin, une démonstration expérimentale de la modulation M-aire AC-FSK proposée et du récepteur harmonique à L coefficients proposé est présentée et les résultats sont comparés aux modulations de type FSK de la littérature. Le dispositif expérimental est basé sur des composants disponibles dans le commerce et un banc d’essai radio logicielle (SDR). Les résultats expérimentaux permettent de confirmer le bien fondé des schémas proposés dans la thèse.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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