[論文レビュー] Hybrid RF/VLC Systems under QoS Constraints

Marwan Hammouda, Sami Akın+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2018

Optical Wireless Communication Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、バッファオーバーフロー確率や遅延違反確率といった統計的QoS制約を満たすために、有効容量に基づいて無線周波数（RF）と可視光通信（VLC）リンクの間で切り替えるハイブリッドRF/VLCシステムを提案する。均一なユーザー分布下でのVLC有効容量に対する閉形式近似を導出し、VLCは低い遅延バウンドを達成するが、リソース割り当ておよび照明制約に対してより感受性が高く、高ユーザー負荷下ではRFが優れることが示された。

ABSTRACT

The coexistence of radio frequency (RF) and visible light communications (VLC) in typical indoor environments can be leveraged to support vast user quality-of-service (QoS) needs. In this paper, we target a hybrid RF/VLC network in which data transmission is provided via either an RF access point or a VLC luminary based on a selection process. We employ the concept of effective capacity, which defines the maximum constant arrival data rate at the transmitter buffer when the QoS needs are imposed as limits on the buffer overflow and delay violation probabilities, as the main selection criteria. We initially formulate the effective capacity of both channels with respect to channel gains and user distribution. Under the assumption of uniform user distribution within the VLC cell, we then provide a closed-form approximation for the effective capacity of the VLC channel. We further investigate the effects of illumination needs and line-of-sight blockage on the VLC performance. In addition, we explore the non-asymptotic bounds regarding the buffering delay by capitalizing on the effective capacity. Through simulation results, we show the impacts of different physical aspects and data-link QoS needs on the effective capacity and delay bounds.

研究の動機と目的

• 密な環境における低遅延・高容量の室内通信ニーズの増大に対応する。
• 具体的には、バッファオーバーフロー確率および遅延違反確率といったQoS制約を、ハイブリッドRF/VLCネットワーク設計に統合する。
• 有効容量をセレクション指標として用いる最適なRFまたはVLCリンク使用のためのクロスレイヤーフレームワークを構築する。
• ユーザー分布、照明要件、視線遮断の影響がシステム性能に与える影響を分析する。
• 統計的QoS制約下でのRFおよびVLCリンクにおける非漸近的遅延バウンドを導出する。

提案手法

• チャネル利得およびユーザー分布を関数として、RFおよびVLCチャネルの有効容量を定式化する。
• セル内での均一なユーザー分布下で、VLC有効容量の閉形式近似を導出する。
• 有効容量の原則を適用し、RFおよびVLCリンクのバッファリング遅延に対する非漸近的バウンドを計算する。
• RFチャネルをレイリー fading でモデル化し、VLCチャネルを幾何的およびパスロスパスモデル、強度変調を用いてモデル化する。
• TDMAおよびFDMA多重アクセス方式の下での性能を評価し、パワーおよび帯域幅割り当てに対する感受性を分析する。
• スパン比 $E_{\text{max}}/E_{\text{min}}$ を用いて照明制約を統合し、それがVLC性能に与える影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドRF/VLCシステムにおいて、ユーザー分布およびチャネル状態が有効容量に与える影響は何か？
• RQ2 均一に分布するユーザーを持つVLCリンクにおける有効容量の閉形式近似は何か？
• RQ3 照明要件および視線遮断がQoS制約下でのVLCシステム性能に与える影響は何か？
• RQ4 TDMAおよびFDMA多重アクセス方式が、RFおよびVLCリンクの有効容量および遅延バウンドに与える影響は何か？
• RQ5 変動するデータ到着レートおよびQoS制約下でのRFおよびVLCチャネルにおける非漸近的遅延バウンドは何か？

主な発見

• すべてのテスト設定において、VLCリンクはRFリンクよりも低い遅延バウンドを達成しており、特に厳しいQoS制約下で顕著に優れた性能を示した。
• RFアクセスポイントが近い場合（例：$y_r = 5$ m）、RFリンクはVLCリンクよりも高いデータ到着レートをサポートしており、特定の幾何配置下ではより高いスループットを示した。
• VLCリンクはリソース割り当てに対してより感受性が高く、SNRが平均電力の2乗に比例するため、FDMAではTDMAに比べて有効容量がより速く低下する。
• ユーザー数の増加に伴い、RFリンクはVLCリンクよりも優れた1ユーザーあたりの性能を維持するため、VLCは低ユーザー密度環境に適している。
• 照明制約はVLC性能に顕著な影響を与える。$E_{\text{max}}/E_{\text{min}}$ の比が高くなると、動的電力ヘッドルームが減少するため、有効容量が低下する。
• データ到着レートが平均伝送レートに近づくに従い、両リンクの遅延バウンドは漸近的に増加するため、容量に近い状態ではシステムの不安定性が顕在化する。