Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2205
Main Title: Adaptive Modulation Technique for Broadband Communication in Indoor Optical-Wireless Systems
Translated Title: Adaptives Modulationsverfahren für Breitbandkommunikation in optischen Inhaus-Freistrahlsystemen
Author(s): Vucic, Jelena
Advisor(s): Petermann, Klaus
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Optische Freistrahlübertragung ist eine attraktive und nützliche Technologie für hochratige Inhaus-Kommunikation (über kürzeren Distanzen), mit guten Aussichten zum Einsatz in der vierten Generation der Mobilkommunikationssysteme. In der vorliegenden Dissertation wird das Leistungsvermögen der adaptiven Modulationstechnik in einem auf orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM) basierenden optischen Freistrahl-System für typische Inhaus-WLAN-Anwendungen untersucht und bewertet. Obwohl diese Technik schon für DSL- (Digital Subscriber Line) und Funkkanal-Anwendungen bekannt ist, erfordern die besonderen Bedingungen in einem optischen Freistrahl-Kanal eine eigenständige Untersuchung. Das zu Grunde liegende Kanalmodell zeigt eine hohe Dynamik in der Bandbreite und Amplitude der Kanalantwort. Dies hat zur Folge, dass es anspruchsvoll ist, für hohe Übertragungsraten ein ausreichend hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu gewährleisten - und zwar für alle vorkommenden Zustände des Kanals und für realistische Pegel der Sendeleistung. Ein adaptives OFDM-System ist so aufgebaut, dass die Übertragungsrate durch Verändern der Modulationsordnungen und Signalleistungen der individuellen Subträger an den momentanen Kanalzustand angepasst werden kann. Auf diese Weise wird die Kanalkapazität effizient genutzt und gleichzeitig die Beibehaltung einer robusten Verbindung sichergestellt. Der Einsatz des adaptiven OFDM-Verfahrens in einem optischen Freistrahl-System bringt viele zusätzliche Vorteile mit sich. Die Haupt-Komplexität des Systems wird konzentriert in der elektrischen Signalverarbeitung und ermöglicht den Einsatz einfacher und preiswerter optischer Frontends. Dadurch kann man eine große Abdeckung des Raumes erreichen, ohne dabei z.B. zusätzliche Mechanismen zur Ausrichtung und Nachführung der Transceiver verwenden zu müssen. Zudem wird die Mobilität des Nutzers innerhalb einer Kommunikations-Zelle unterstützt und die Übertragung robust gemacht gegen Abschattung (Unterbrechung des direkten Übertragungspfades), wobei eine betriebssichere Verbindung erhalten bleibt - dank der dynamischen Adaption der Übertragungsrate. Des Weiteren ermöglicht eine komplett digitalisierte elektronische Signalverarbeitung, die schaltungstechnisch in einen Mikrochip integriert werden kann, ein sehr effizientes elektrisches Transceiver-Design. Das OFDM-Verfahren bekämpft inhärent die Inter-Symbol-Interferenz (ein wesentlicher Störfaktor in hochratigen optischen Freistrahl-Verbindungen), und erlaubt die einfache lineare Entzerrung am Empfänger. Die vorliegende Arbeit behandelt insbesondere Fragen bezüglich der Systemkapazität (theoretische Grenzen der Übertragungsrate) und der praktisch erreichbaren Übertragungsraten. Dabei wird der Einsatz von Zuweisungsalgorithmen untersucht, die bei einer vorgegebenen Bitfehlerrate des Systems individuellen Subträgern verschiedene QAM-Modulationsordnungen und Signalleistungen zuordnen. Als Methode zur Verbesserung der System-Leistungseffizienz und zur weiteren Erhöhung der Übertragungsrate wird der Einsatz des kontrollierten Signal-Clippings vor der optischen Quelle untersucht. Wesentliche Fragestellungen in Bezug auf die Gestaltung der opto-elektrischen Frontends für das vorgesehene Anwendungs-Szenario werden ebenfalls diskutiert. Das Ziel ist hier, zu einem einfachen Design zu kommen, welches zugleich eine breitbandige Übertragung bei ausreichendem Link-Budget unterstützt.
Optical wireless (OW) is an attractive and viable technology for high-speed short-range (indoor) communication, with a good prospect of taking part in the wider fourth generation (4G) vision. This thesis investigates and assesses the potentials of the adaptive modulation technique in an OW orthogonal frequency division multiplex (OFDM) based system for a typical indoor wireless local area network (WLAN) scenario. Even though the regarded technique is known from digital subscriber line (DSL) systems and is well researched for radio systems, specific properties of the optical wireless channel call for a separate evaluation of its performance in OW links. The adopted channel model reveals presence of large dynamics in channel bandwidth and magnitude, which indicates that it is difficult to maintain the signal-to-noise ratio sufficient for high bit rates under all channel conditions using reasonable transmitter power levels. An adaptive OFDM system, which is designed to dynamically adjust the transmission rate to the current channel state, by varying the order of modulation and power of the individual subcarriers is, therefore, an attractive solution to efficiently exploit the channel capacity, while maintaining a reliable link. Deployment of adaptive OFDM in an OW system brings about various additional benefits. System complexity is relocated from optical front-ends to electrical signal processing. In this way, large spatial coverage can be provided even with very simple and inexpensive transceivers, without the need for pointing and tracking mechanisms. Within a cell, user mobility is supported and the transmission link is made robust to shadowing, while reliable connectivity is maintained thanks to dynamic rate adaptation. The possibility of complete digitalization makes signal processing very efficient, so that it can be implemented on a logic device and integrated on a microchip. OFDM inherently deals with inter-symbol-interference (major degradation factor of the high-speed OW links) and allows for the simplest linear equalization at the receiver. In this thesis, questions related to the system capacity, as the theoretical limit for rate performance, as well as achievable rates in practical systems, are in focus. The deployment of loading algorithms which apply different orders of square quadrature-amplitude-modulation formats while complying with a certain error rate, is investigated. As a method to improve the system power-efficiency and further enhance the transmission rate on account of an acceptable increase in error rate, the influence of controlled clipping on system performance is examined. Main issues regarding the opto-electrical front-ends for the considered communication scenario are discussed, in order to arrive at a simple design, which at the same time allows broadband transmission with sufficient link budget.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-23054
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2502
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2205
Exam Date: 9-Jul-2009
Issue Date: 22-Jul-2009
Date Available: 22-Jul-2009
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Adaptive-Modulation
Freistrahl-Optik
Kapazität
OFDM
Adaptive-modulation
Capacity
OFDM
Optical-wireless
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