[論文レビュー] Design of a visible-light-communication enhanced WiFi system

Sihua Shao, Abdallah Khreishah+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 8被引用数 10

ひとこと要約

この論文では、可視光通信（VLC）を下行リンクに、WiFiを上行リンクに使用することで、混雑した環境におけるネットワーク容量と耐障害性を向上させるハイブリッドWiFi-VLCシステムの提案と実装を行う。Linuxバインディングを用いたWiFiとVLCリンクの集約により、干渉や遮断状態でも単独のWiFiよりも高いスループットと短いウェブページロード時間を達成した。

ABSTRACT

Visible light communication (VLC) has wide unlicensed bandwidth, enables communication in radio frequency (RF) sensitive environments, realizes energy-efficient data transmission, and has the potential to boost the capacity of wireless access networks through spatial reuse. On the other hand, WiFi provides more coverage than VLC and does not suffer from the likelihood of blockage due to the light of sight (LOS) requirement of VLC. In order to take the advantages of both WiFi and VLC, we propose and implement two heterogeneous systems with Internet access. One is the hybrid WiFi-VLC system, utilizing unidirectional VLC channel as downlink and reserving the WiFi back-channel as uplink. The asymmetric solution resolves the optical uplink challenges and benefits from the full-duplex communication based on VLC. To further enhance the robustness and increase throughput, the other system is presented, in which we aggregate WiFi and VLC in parallel by leveraging the bonding technique in Linux operating system. Online experiment results reveal that the hybrid system outperforms the conventional WiFi for the crowded environments in terms of throughput and web page loading time; and also demonstrate the further improved performance of the aggregated system when considering the blocking duration and the distance between access point and user device.

研究の動機と目的

• 既存のWiFiインfra構造と可視光通信（VLC）を統合することで、無線ネットワークにおける「スペクトルの枯渇」問題を解決すること。
• VLCシステムにおける光学的上行リンクの課題を、信頼性の高い上行リンクチャネルとしてのWiFiを活用することで克服すること。
• WiFiとVLCのハイブリッド的かつ集約的な利用により、混雑した環境におけるネットワーク容量と耐障害性を向上させること。
• 距離、遮断、干渉などの実世界の条件におけるハイブリッドおよび集約システムの性能を評価すること。

提案手法

• VLCを単方向の下行リンクとして、WiFiを上行リンクとして使用するハイブリッドシステムの設計により、光学的上行リンクの複雑さを回避すること。
• Linuxオペレーティングシステムにおけるリンク集約を実装し、WiFiとVLCのデータストリームを統合してスループットを向上させること。
• 実際の屋内環境での展開を念頭に、標準のIEEE 802.11 a/b/g/n WiFiとLEDベースのVLCを用いること。
• 10名のクライントを用いたオンライン実験を実施し、ネットワーク混雑状態をシミュレートするため、1名のクライントが1GBのファイルをダウンロードする状況を想定すること。
• Pingdomを用いてウェブページロード時間を、距離および遮断時間の変動下でのTCPスループットを測定することで性能を評価すること。
• 1分あたり5秒から30秒の間隔で遮断時間を変化させ、システムの信頼性およびスループットへの影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワーク混雑状態下において、ハイブリッドWiFi-VLCシステムは従来のWiFiよりもスループットおよびウェブページロード時間で優れた性能を示すか？
• RQ2 WiFiとVLC間のリンク集約は、エンドツーエンドのネットワーク性能および信頼性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 VLC送信機と受信機の距離が長くなるに従い、システムスループットにどのような影響が生じるか？
• RQ4 途切れのあるチャネル遮断状態は、VLCベースのシステムとWiFiオンリーシステムの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 遮断および長距離条件下でも、集約システムはWiFiオンリーシステムよりも高い最小スループットを維持できるか？

主な発見

• 10クライントのネットワークで1名のクライントが1GBのファイルをダウンロードする状況下で、ハイブリッドVLCシステムはWiFiオンリーシステムよりも顕著に短いウェブページロード時間を達成した。30%のテストでロード時間が5秒未満であった。
• 集約システムは、スループットの安定性において、WiFiオンリーやハイブリッドVLCシステムを上回り、遮断状態でも高い下限スループットを維持した。
• 4.1メートルを超える距離では、VLCのスループットが急激に低下するため、WiFiオンリーシステムがハイブリッドVLCシステムを上回った。
• 1分あたり30秒の遮断が発生しても、VLCベースのシステムはWiFiオンリーシステムよりも高いTCPスループットを維持した。これは、一時的な遮断に対して高い耐性を示している。
• 集約システムは、障害状態下でもスループットがWiFiオンリーシステムを下回らないことを確認し、信頼性の向上を示した。
• ハイブリッドシステムは、混雑した環境下でネットワーク遅延と競合を低減し、RFスペクトルの混雑状態を軽減する可能性を裏付けた。