面向光无线通信的分组多模索引调制集成OOTFS方案：设计与实验评估

《Optics & Laser Technology》：Grouped multi-mode index modulation-integrated OOTFS for OWC: Design and experimental evaluation

本文提出了一种集成光正交时频空间调制（OOTFS）的分组多模索引调制（GMM-IM）新方案，旨在解决传统多模索引调制（MM-IM）在带宽和能量受限的光无线通信（OWC）系统中频谱效率（SE）受限和误码率（BER）性能下降的问题。通过非重叠星座分组和受控模式选择，该方案在提升SE的同时增强了系统可靠性。仿真与实验结果表明，OOTFS-GMM-IM在不同湍流条件下均优于传统方案，展现出优异的抗非线性失真和带宽限制能力，为下一代OWC系统提供了可靠候选方案。

　　

Highlight

方案设计

基于OOTFS的光无线通信（OWC）系统采用所提出的GMM-IM方案的示意图如图1所示。为便于理论分析，我们假设系统的数据帧带宽为MΔf Hz，总帧时长为NT秒，其中M、N、Δf和T分别为总子载波数、OOTFS符号数、子载波间隔和符号持续时间。

在发射端，一个OOTFS符号由G个子块组成，每个子块包含L = M/4G个子载rier（其中... [此处原文不完整，翻译保留原文结构]。

频谱效率

对于一个具有M×N数据帧且L=2的通用OOTFS-based OWC系统，MM-IM和GMM-IM的总体SE计算如下：

η_MM-IM= MN [?log₂((L/n_c))? + L log₂(Q)] / (4L),

η_GMM-IM= MN [L/2 + L log₂((1/(n_c/2))) + L log₂(Q)] / L.

与MM-IM相比，所提出的GMM-IM方案能够传输额外的比特，这在n_c=4和n_c=8时分别带来了25%和16.67%的SE提升。不同帧大小下的相应SE如图3所示。

调制复杂度

GMM-IM方案的调制复杂度（MC）...

仿真结果与评估

为评估所提方案的性能，本文在典型的OWC场景下采用大气湍流信道模型，并在弱湍流和强湍流条件下将所提方案与传统MM-IM方案进行比较。考虑了一种基于指数韦布尔（Exponential Weibull, EW）分布的大气湍流信道模型。与传统的对数正态（Log-Normal, LN）和Gamma-Gamma（GG）分布相比，EW分布能更准确地表征... [此处原文不完整，翻译保留原文结构]。

实验结果与评估

为评估所提出的用于OOTFS-based OWC系统的GMM-IM方案的性能，通过搭建一个2.5米的实验装置进行了概念验证实验，如图9所示。在发射端，信号波形首先使用MATLAB离线生成，然后上传到采样率为250 MSa/s的任意波形发生器（AWG, Ceyear 1652B）。AWG的电输出用于驱动基于LED的光发射模块（OTM, ... [此处原文不完整，翻译保留原文结构]。

结论

总之，本工作对集成OOTFS的分组多模索引调制（GMM-IM）方案在多载波OWC系统中的应用进行了数值和实验研究。所提方案通过传输额外比特提高了频谱效率，在L=2时实现了25%（n_c=4）和16.67%（n_c=8）的SE增益。在指数韦布尔湍流下的仿真表明，OOTFS-GMM-IM在弱湍流下比OOFDM-GMM-IM优约4 dB，在强湍流下优约8-9 dB，并且... [此处原文不完整，翻译保留原文结构]。