[논문 리뷰] Indoor Location Estimation with Optical-based OFDM Communications

Mohammadreza Aminikashani, Wenjun Gu외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 24.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 교육용 시퀀스에서 채널 DC 이득 추정을 활용하여 고정밀 실내 위치 결정과 고속 데이터 전송을 동시에 구현하는 OFDM 기반 가시광 통신(VLC) 시스템을 제안한다. 시스템은 수신 신호 강도(RSS)와 후방 추정을 사용하여 수신기 좌표를 추정하며, 다중 경로 환경과 낮은 신호 대 잡음비(SNR)에서도 OOK보다 뛰어난 위치 결정 정확도를 보이며, 다양한 구성에서 루트 평균 제곱(RMS) 오차가 0.27 m 이하임을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 대역 변조에 의존하고 다중 경로 효과를 忽시하는 기존 실내 위치 결정 시스템의 한계를 해결하기 위해.
• 고속 통신과 정밀한 실내 위치 추적을 동시에 지원하는 이중 기능 VLC 시스템을 개발하기 위해.
• 특히 방의 모서리 및 가장자리 영역에서 다산란 광채널에서의 위치 결정 정확도를 향상시키기 위해.
• 송신 전력, 변조 순서, FFT 크기와 같은 핵심 시스템 파라미터가 위치 결정 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 강도 변조 직접 검출(IM/DD) 방식을 사용한 OFDM VLC 시스템을 설계하였으며, 채널 추정 및 동기화를 위해 교육용 시퀀스를 활용한다.
• 채널의 DC 이득을 교육용 시퀀스에서 추정하여 후방 추정 기반 위치 결정을 위한 정확한 경로 손실 모델링을 가능하게 한다.
• 광다이오드를 통해 수신 신호 강도(RSS)를 측정하고, 경로 손실 모델을 사용하여 각 LED에서 수신기까지의 거리를 추정한다.
• 후방 추정 알고리즘은 위치가 알려진 다수의 LED로부터의 거리 정보를 바탕으로 수신기의 3차원 좌표를 삼각측량법으로 계산한다.
• 다양한 스펙트럼 효율을 평가하기 위해 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM 변조 방식을 적용한다.
• 실제 실내 광전파를 모의하기 위해 다중 경로 효과는 군집 지연 다중 경로 채널(CDMMC) 모델을 사용하여 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 경로 fading이 존재하는 환경에서 OFDM 기반 VLC 시스템이 기존 OOK 기반 시스템보다 더 높은 실내 위치 결정 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 OFDM VLC 시스템에서 송신 전력의 선택이 위치 결정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 FFT 크기(서브캐리어 수)를 증가시키면 DC 이득 추정 정확도 향상으로 인해 위치 결정 정확도가 향상되는가?
• RQ4 고차원 변조(예: 16-QAM, 64-QAM)는 제안된 OFDM 시스템의 위치 결정 성능에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 특히 방의 모서리 및 가장자리와 같은 도전적인 영역에서 낮은 신호 대 잡음비(SNR) 조건에서 시스템 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 OFDM VLC 시스템은 FFT 크기가 1024일 때 RMS 위치 결정 오차 0.2624 m를 달성하여 더 작은 FFT 크기와 OOK 기반 시스템보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 15 dB SNR 및 4-QAM 변조 조건에서 N=1024일 경우 RMS 오차는 0.2624 m이며, N=64일 경우 0.2905 m에서 감소함을 확인하여 서브캐리어 수 증가로 정확도 향상이 이루어짐을 입증하였다.
• 모든 변조 순서에서 일관된 성능을 유지하였으며, RMS 오차는 16-QAM일 경우 0.2665 m, 64-QAM일 경우 0.2716 m로 나타나 높은 스펙트럼 효율에서도 성능 저하가 없음을 확인하였다.
• 낮은 SNR 조건에서도 위치 결정 정확도가 뛰어나, 낮은 신호 전력 수준에서도 RMS 오차가 0.27 m 이하로 유지됨을 입증하였다.
• 고차원 복조에서의 채널 DC 이득 추정 기법은 추가 하드웨어 없이도 정확한 위치 결정을 가능하게 하여 효과적임을 입증하였다.
• 특히 다중 경로 효과가 일반적으로 위치 결정 정확도를 떨어뜨리는 모서리 및 가장자리 영역에서도 시스템이 뛰어난 성능을 보였으며, 기존 시스템 대비 우수한 성능을 확보하였다.