Double Quadrature Spatial Intensity Modulation for Visible Light Communications

Abstract

In this paper, a new spectrally efficient space modulation technique, which is called double quadrature spatial intensity modulation (DQSIM), is proposed for multiple-input multiple-output (MIMO) visible light communication (VLC) systems. Sub-carrier intensity modulation (SIM), which ensures the use of in-phase/quadrature (I/Q) signals in intensity modulation direct detection (IM/DD) systems, is used as a digital modulation scheme. In RF, quadrature spatial modulation (QSM) transmits the I/Q signals through single or multiple antennas selected independently from each other. Furthermore, the orthogonality between I and Q components is provided for the half period of sinusoids. DQSIM utilizes these two features and transmits four fold more bits than spatial modulation (SM) via spatial constellation. SIM uses two-fold bandwidth compared to on-off keying (OOK), while DQSIM uses three fold. DQSIM outperforms benchmark modulation schemes, which are SIM-SM and PAM-SM, at the BER value of 10^-4. Furthermore, DQSIM performance has increased with increasing number of LEDs.

Keywords

• Subcarrier intensity modulation,Spatial modulation,MIMO,VLC

Görünür Işık Haberleşmesi için Çift Dördün Uzaysal Yoğunluk Modülasyonu

Öz

Bu çalışmada, çift dördün uzaysal modülasyon (ÇDUM) adı verilen izgesel verimi yüksek yeni bir uzaysal modülasyon tekniği çoklu-giriş çoklu-çıkış (ÇGÇÇ) görünür ışık haberleşmesi (GIH) sistemleri için önerilmiştir. Sayısal modülasyon planı olarak, eş evreli (I) ve dördün (Q) sinyallerin yoğunluk modülasyonlu direk sezim (YM/DD) sistemlerde kullanımına olanak sağlayan, alt-taşıyıcılı yoğunluk modülasyonu (AYM) kullanılmıştır. Radyo frekans (RF) haberleşmesinde dördün uzamsal modülasyon (DUM) I/Q sinyallerini her biri diğerinden bağımsız olarak seçilmiş antenlerden iletir. Dahası I/Q sinyalleri arasındaki diklik sinüzoidal sinyallerin yarım periyodunda da korunmaktadır. ÇDUM bu iki özelliği kullanarak uzamsal modülasyonun (UM) dört katı biti uzaysal boyutta iletir. AYM, aç-kapa anahtarlamaya (AKA) kıyasla iki kat bant genişliği kullanırken, ÇDUM üç kat kullanır. Bu çalışmada ÇDUM performansı AYM-UM ve darbe genlik modülasyonlu uzaysal modülasyon (DGM-UM) ile karşılaştırılmış ve daha iyi bir performans sergilediği gösterilmiştir. Ek olarak, verici taraftaki LED sayısı arttıkça ÇDUM performansı artmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Alt-taşıyıcılı yoğunluk modülasyonu,Uzaysal modülasyon,ÇGÇÇ,GIH

References

1. Khan, L.U. 2017. Visible light communication: Applications, architecture, standardization and research challenges, Digital Communications and Networks, 3, 2, pp. 78-88. https://doi.org/10.1016/j.dcan.2016.07.004
2. Jovicic, A. Li, J. and Richardson, T. 2013. Visible light communication: Opportunities, challenges and the path to market IEEE Commun. Mag. 51, 12, pp. 26-32. https://doi.org/10.1109/MCOM.2013.6685754
3. Dimitrov, S. and Haas, H. 2015. Principles of LED Light Communications, Cambridge University Press, Cambridge, UK.
4. Armstrong, J. 2009. OFDM for Optical Communications, IEEE Journal of Lightwave Tech., 27, 3, pp. 189-204. https://doi.org/10.1109/JLT.2008.2010061
5. Barry, J. R. 1994. Wireless Infrared Communications, Norwell, MA Kluwer.
6. Islim, M. S. and Haas, H. 2016. Modulation Techniques for Li-Fi, ZTE Communications, 14, 2, pp. 29-40. https://www.research.ed.ac.uk/portal/en/publications/modulation-techniques-for-lifi
7. Celik, Y. and Akan, A. 2018. Subcarrier intensity modulation for MIMO visible light communications, Optics Communications, 412, pp. 90-101. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2017.12.002
8. Zeng, L. and et al. 2009. High Data Rate Multiple Input Multiple Output (MIMO) Optical Wireless Communications Using White LED Lighting, IEEE Journal on Selected Areas in Comm., 27, 9, pp. 1654-1662. https://doi.org/10.1109/ JSAC.2009.091215

9. Mesleh, R. and et al. 2011. Optical Spatial Modulation, IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, 3, 3, pp. 234-244. https://doi.org/10.1364/ JOCN.3.000234
10. Fath, T. and Haas, H. 2013. Performance comparison of MIMO techniques for optical wireless communications in indoor environments, IEEE Transactions on Communications, 61, 2, pp. 733–742. https://doi.org/10.1109/ TCOMM.2012.120512.110578
11. Mesleh, R. and et. al. 2008. Spatial modulation, IEEE Trans. Veh. Technol., 57, 4, pp. 2228-2241. https://doi.org/10.1109/TVT.2007.912136
12. Mesleh, R., Ikki, S., and Aggoune H. 2015. Quadrature spatial modulation, IEEE Trans. Veh. Technol., 64, 6, pp. 2738-2742. https://doi.org/10.1109/TVT.2014.2344036
13. Mesleh, R. and Alhassi, A. 2018. Space Modulation Techniques, Wiley, 1th Ed., Hoboken, USA.
14. Nuwanpriya, A. and et al. 2015. Indoor MIMO visible light communications: Novel angle diversity receivers for mobile users, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 33, 9, pp. 1780-1792.
15. You, R. and Kahn, J. M. 2001. Average power reduction techniques for multiple-subcarrier intensity-modulated optical signals, IEEE Transactions on Communications, 49, 12, pp. 2164-2171. https://doi.org/10.1109/26.974263
16. Y. Qiu and et al., 2018. Visible Light Communications Based on CDMA Technology, IEEE Wireless Communications, 25, 2, pp. 178-185.
17. A. Younis and et al., 2010. Generalized spatial modulation, Conf. Rec. Asilomar Conf. Signals, Syst., Comput., pp. 1498-1502, Pacific Grove, CA, USA.