[論文レビュー] Indoor Location Estimation with Optical-based OFDM Communications

Mohammadreza Aminikashani, Wenjun Gu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、訓練序列からのチャネルDCゲイン推定を活用して、高精度な室内位置推定と高速データ通信を併せ持つOFDMベースの可視光通信（VLC）システムを提案する。システムは受信信号強度（RSS）と後方推定法（lateration）を用いて受信機座標を推定し、特に多径環境および低SNR条件下でもOOKよりも優れた位置推定精度を示しており、さまざまな構成においてRMS誤差が0.27 m未満に抑えられている。

ABSTRACT

Visible Light Communication (VLC) using light emitting diodes (LEDs) has been gaining increasing attention in recent years as it is appealing for a wide range of applications such as indoor positioning. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has been applied to indoor wireless optical communications in order to mitigate the effect of multipath distortion of the optical channel as well as increasing data rate. In this paper, a novel OFDM VLC system is proposed which can be utilized for both communications and indoor positioning. A positioning algorithm based on power attenuation is used to estimate the receiver coordinates. We further calculate the positioning errors in all the locations of a room and compare them with those using single carrier modulation scheme, i.e., on-off keying (OOK) modulation. We demonstrate that OFDM positioning system outperforms its conventional counterpart. Finally, we investigate the impact of different system parameters on the positioning accuracy of the proposed OFDM VLC system.

研究の動機と目的

• 単一周波数変調に依存し、多径効果を無視する既存の室内位置推定システムの限界を是正すること。
• 高速通信と正確な室内位置特定を両立する二重機能型VLCシステムを開発すること。
• 分散的光チャネルにおいて、特に部屋のコーナーやエッジ領域で位置推定精度を向上させること。
• 送信電力、変調方式の順序、FFTサイズといった主要なシステムパラメータが位置推定性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 強度変調・直接検波（IM/DD）を用いたOFDM VLCシステムを設計し、チャネル推定と同期に訓練序列を活用する。
• 訓練序列からチャネルDCゲインを推定することで、後方推定法に適した経路損失モデルを正確に構築する。
• 光デバイスにより受信信号強度（RSS）を測定し、経路損失モデルを用いて各LEDから受信機までの距離を推定する。
• 後方推定アルゴリズムにより、位置が既知の複数のLEDからの三辺測定（trilateration）を用いて受信機の3次元座標を計算する。
• スペクトル効率の異なる状況を評価するため、4-QAM、16-QAM、64-QAMの変調方式を採用する。
• 実際の室内光伝搬を模擬するため、クラスタ型遅延多径チャネル（CDMMC）モデルを用いて多径効果をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多径 fading が発生する状況下で、OFDMベースのVLCシステムは従来のOOKベースのシステムよりも優れた室内位置推定精度を達成できるか？
• RQ2 OFDM VLCシステムにおいて、送信電力の選択が位置推定精度に与える影響は何か？
• RQ3 FFTサイズ（サブキャリア数）を増加させることで、DCゲイン推定の精度が向上し、結果として位置推定精度が向上するか？
• RQ4 高次変調（例：16-QAM、64-QAM）を用いることで、提案されたOFDMシステムにおける位置推定性能にどのような影響が生じるか？
• RQ5 特に部屋のコーナーやエッジのような困難な領域において、低SNR条件下でのシステムの性能はいかがなものか？

主な発見

• 提案されたOFDM VLCシステムは、FFTサイズが1024の場合、RMS位置推定誤差が0.2624 mにまで低下し、より小さいFFTサイズやOOKベースのシステムを上回る性能を示した。
• 15 dB SNRおよび4-QAM変調条件下で、N=1024の場合はRMS誤差が0.2624 mであり、N=64の0.2905 mから改善された。これはサブキャリア数の増加に伴う精度向上を示している。
• 変調方式の順序に関わらず一貫した性能を維持しており、16-QAMではRMS誤差0.2665 m、64-QAMでは0.2716 mを記録した。高スペクトル効率化に伴う著しい性能劣化は認められなかった。
• 低SNR条件下でも位置推定精度が安定しており、低信号電力レベルでもRMS誤差が0.27 m未満を維持した。
• 高次コンステレーションに対してもチャネルDCゲイン推定技術は有効であり、追加のハードウェアを必要とせずに正確な位置推定が可能である。
• コーナーやエッジ領域においても、従来のシステムが多径効果により精度を低下させる中、本システムは優れた性能を発揮した。