[논문 리뷰] Bidirectional Optical Spatial Modulation for Mobile Users: Towards a Practical Design for LiFi Systems

Mohammad Soltani, Mohamed Amine Arfaoui외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 02.

Optical Wireless Communication Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 이동 중인 LiFi 사용자를 위해 이중 방향 광학 공간 변조(осM)를 제안하며, 다중 방향 광다이오드 수신기(MDR)와 적응형 AP 선택을 통해 이동성, 방향성, 가림 문제를 해결한다. Bit Error Rate(BER) = 3.8×10⁻³에서 스크린 수신기(SR) 대비 10 dB 이상의 SNR 향상을 달성했으며, 분석적 및 측정 기반 검증을 통해 다운링크 및 업링크 모두에서 높은 에너지 효율성을 입증한다.

ABSTRACT

Among the challenges of realizing the full potential of light-fidelity (LiFi) cellular networks are user mobility, random device orientation and blockage. We study the impact of those challenges on the performance of LiFi in an indoor environment using measurement-based channel models. We adopt spatial modulation (SM), which has been shown to be energy efficient in many applications, including LiFi. We consider two configurations for placing the photodiodes (PDs) on the user equipment (UE). The first one is referred to as the screen receiver (SR) whereby all the PDs are located on one face of the UE, whereas the other one is a multi-directional receiver (MDR), in which the PDs are located on different sides of the UE. The latter configuration was motivated by the fact that SR exhibited poor performance in the presence of random device orientation and blockage. We show that MDR outperforms SR by over $10$ dB at BER of $3.8\ imes10^{-3}$. Moreover, an adaptive access point (AP) selection scheme for SM is considered where the number of APs are chosen adaptively in an effort to achieve the lowest energy requirement for a target BER and spectral efficiency. The user performance with random orientation and blockage in the whole room is evaluated for sitting and walking activities. For the latter, we invoke the orientation-based random waypoint (ORWP) mobility model. We also study the performance of the underlying system on the uplink channel where the same techniques are used for the downlink channel. Specifically, as the transmitted uplink power is constrained, the energy efficiency of SM is evaluated analytically. It is shown that the multi-directional transmitter (MDT) with adaptive SM is highly energy efficient. As a benchmark, we compare the performance of the proposed framework to that of the conventional spatial multiplexing system, and demonstrate the superiority of the proposed one.

연구 동기 및 목표

• 실내 환경에서 사용자 이동성, 무작위 기기 방향성, 라인오브사이트 가림으로 인한 LiFi 시스템 성능 저하 문제를 해결한다.
• 무작위 기기 방향성과 가림 상황에서 성능이 열 劣한 전통적 스크린 수신기(SR)의 한계를 극복한다.
• 다중 방향 광다이오드 수신기(MDR)와 적응형 액세스 포인트(AP) 선택을 활용한 실용적이고 에너지 효율적인 LiFi 시스템을 설계한다.
• 이론적 가정이 아닌 측정 기반 채널 모델을 사용하여 실세계 실내 환경에서의 시스템 성능을 평가한다.
• 제한된 업링크 전송 전력 조건 하에서 에너지 효율성을 분석함으로써 SM 프레임워크를 업링크로 확장한다.

제안 방법

• 공간 변조(SM)를 LiFi에 적용하여, 활성 LED 선택을 통해 공간 정보를 인코딩하고, PAM 변조를 통해 신호 정보를 전송한다.
• 광다이오드 수신기 구성 두 가지를 구현한다: 한 면에 모든 PD가 위치한 스크린 수신기(SR), 여러 면에 PD가 분포된 다중 방향 수신기(MDR).
• 실제 사용자 보행 및 앉는 동작과 함께 무작위 기기 회전을 시뮬레이션하기 위해 방향 기반 무작위 경로(ORWP) 이동 모델을 사용한다.
• 목표 BER 및 스펙트럼 효율을 유지하면서 에너지 소비를 최소화하기 위해 동적으로 접근 포인트 수를 선택하는 적응형 AP 선택 기법을 제안한다.
• 채널 상관성과 노이즈 분산을 고려하여 가우시안 근사와 행렬 행렬식 항등식을 활용해 상호정보량의 하한을 유도한다.
• 제한된 업링크 전송 전력 조건을 모델링하고, 적응형 SM을 적용한 다중 방향 송신기(MDT)의 성능을 평가함으로써 업링크 에너지 효율성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이동 중인 사용자와 무작위 기기 방향성이 실내 환경에서 전통적 스크린 수신기(SR)를 사용하는 LiFi 시스템의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 무작위 방향성과 가림 조건에서 다중 방향 수신기(MDR)가 스크린 수신기(SR)보다 BER 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 이동 중인 LiFi 환경에서 목표 BER 및 스펙트럼 효율을 달성하면서 에너지 소비를 최소화하기 위해 최적의 액세스 포인트(AP) 수는 얼마인가?
• RQ4 제안된 이중 방향 OSM 프레임워크는 제한된 전송 전력 조건 하에서 업링크 전송에 어떻게 성능을 발휘하며, 그 에너지 효율성은 어떠한가?
• RQ5 이동성과 가림 조건에서 측정 기반 채널 모델은 이론적 모델에 비해 실세계 LiFi 성능 예측에 얼마나 정확한가?

주요 결과

• 무작위 기기 방향성과 가림 조건 하에서 BER = 3.8×10⁻³일 때 다중 방향 수신기(MDR)가 스크린 수신기(SR)보다 SNR에서 10 dB 이상 향상된다.
• 적응형 AP 선택 기법은 목표 스펙트럼 효율성과 BER를 유지하면서 에너지 소비를 효과적으로 감소시켜 이동 중인 LiFi 네트워크에서 실용적인 에너지 효율성을 입증한다.
• 제안된 이중 방향 OSM 시스템은 측정 기반 채널 모델을 통해 검증된 바와 같이 실내 환경에서 높은 스펙트럼 효율성과 강인성을 확보한다.
• 제한된 전송 전력 조건 하에서 다중 방향 송신기(MDT)와 적응형 SM을 적용한 업링크 에너지 효율성은 분석적으로 매우 높은 효율성을 보임을 입증하였다.
• 기존의 공간 다중화 기법에 비해 제안된 OSM 프레임워크는 이동성과 가림 조건 하에서 BER 및 에너지 효율성 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 유도된 상호정보량 하한은 시뮬레이션 및 측정 기반 결과를 통해 검증된 탄탄한 분석적 추정치를 제공한다.