[논문 리뷰] Design of a visible-light-communication enhanced WiFi system

Sihua Shao, Abdallah Khreishah외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 09.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 8인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 혼잡한 환경에서 네트워크 용량과 내구성을 향상시키기 위해 내림방향으로 가시광선을, 오르림방향으로 WiFi를 사용하는 하이브리드 WiFi-VLC 시스템을 제안하고 구현한다. Linux 바인딩을 통해 WiFi와 VLC 링크를 집계함으로써, 간섭 또는 차단 조건에서도 별도의 WiFi보다 더 높은 전송속도와 더 빠른 웹 페이지 로딩 시간을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 WiFi 인프라와 가시광선 통신(VLC)을 통합하여 무선 네트워크의 '스펙트럼 크러시' 문제를 해결하기 위해.
• VLC 시스템의 광학적 업링크 문제를 해결하기 위해 신뢰할 수 있는 업링크 채널로 WiFi를 활용함으로써.
• WiFi와 VLC의 하이브리드 및 집계적 사용을 통해 고밀도 환경에서 네트워크 용량과 내구성을 향상시키기 위해.
• 거리, 차단, 간섭과 같은 실세계 조건에서 하이브리드 및 집계 시스템의 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• VLC가 단방향 내림방향으로, WiFi가 업링크로 작동하는 하이브리드 시스템을 설계하여 광학적 업링크 복잡성을 피함.
• Linux 운영체제에서 링크 집계를 구현하여 WiFi와 VLC 데이터 스트림을 결합함으로써 전송속도를 증가시킴.
• 실제 실내 환경에서의 구현을 위해 표준 IEEE 802.11 a/b/g/n WiFi와 LED 기반 VLC를 사용함.
• 10명의 클라이언트를 포함한 온라인 실험을 수행하여 네트워크 혼잡을 시뮬레이션함.
• Pingdom를 사용해 거리 및 블로킹 지속 시간에 따라 웹 페이지 로딩 시간과 TCP 전송속도를 측정함.
• 블로킹 지속 시간을 분당 5초에서 30초로 변화시켜 시스템 신뢰성과 전송속도에 미치는 영향을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네트워크 혼잡 조건에서 하이브리드 WiFi-VLC 시스템이 전통적 WiFi보다 전송속도와 웹 페이지 로딩 시간 측면에서 뛰어나게 성능을 발휘할 수 있는가?
• RQ2 WiFi와 VLC 간의 링크 집계는 종단 간 네트워크 성능과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 VLC 송신기와 수신기 사이의 거리 증가가 시스템 전송속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 간헐적인 채널 차단은 VLC 기반 시스템의 성능에 어떤 영향을 미치며, WiFi 전용 시스템과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 블로킹 및 장거리 조건에서 집계된 시스템은 WiFi 전용 시스템보다 더 높은 최소 전송속도를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 10명의 클라이언트가 있는 네트워크에서 1명의 클라이언트가 1GB 파일을 다운로드하는 조건에서 하이브리드 VLC 시스템은 WiFi 전용 시스템보다 웹 페이지 로딩 시간이 현저히 짧았으며, 30%의 테스트에서 로딩 시간이 5초 이하로 기록됨.
• 집계된 시스템은 WiFi 전용 및 하이브리드 VLC 시스템 모두보다 전송속도 안정성에서 뛰어나, 블로킹 조건에서도 더 높은 하한 전송속도를 유지함.
• 4.1미터를 초과하는 거리에서는 VLC의 전송속도 급격한 감소로 인해 WiFi 전용 시스템이 하이브리드 VLC 시스템을 능가함.
• 분당 30초의 블로킹 조건에서도 VLC 기반 시스템은 WiFi 전용 시스템보다 더 높은 TCP 전송속도를 유지하여 간헐적 블로킹에 대한 내성을 입증함.
• 집계된 시스템은 강화된 내구성을 보였으며, 전송속도가 WiFi 전용 시스템보다 낮아지지 않았고, 악조건에서도 신뢰성 있음을 확인함.
• 하이브리드 시스템은 혼잡한 환경에서 네트워크 지연과 콘텐션을 감소시켜 RF 스펙트럼 혼잡을 완화하는 데 잠재력을 입증함.