[논문 리뷰] Indoor Positioning in High Speed OFDM Visible Light Communications

Mohammadreza Aminikashani, Wenjun Gu외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 07.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 20인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 수신된 신호 강도(RSS)와 후방 추정( lateration)을 활용하여 고정밀 실내 위치 추정을 위한 OFDM 기반 가시광통신(VLC) 시스템을 제안한다. OFDM는 다중 경로로 인한 오차를 효과적으로 완화함으로써 OOK 변조 대비 뛰어난 성능을 보이며, 중심 영역에서는 루트 평균 제곱(RMS) 위치 오차가 0.04 m로 측정되고 전체 방 범위에서는 0.53 m로 나타나며, OOK 대비 각각 0.43 m와 1.01 m의 오차를 기록한다.

ABSTRACT

Visible Light Communication (VLC) technology 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, we investigate the indoor positioning accuracy of optical based OFDM techniques used in VLC systems. 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 of single carrier modulation scheme, i.e., on-off keying (OOK) modulation. We demonstrate that OFDM positioning system outperforms its conventional counterpart.

연구 동기 및 목표

• 고속 실내 VLC 시스템에서 다중 경로로 인한 위치 오차 문제를 해결하기 위해.
• 실제 실내 광채널에서 OFDM 및 OOK 변조 방식의 위치 정확도를 평가하고 비교하기 위해.
• OFDM-VLC를 활용해 고속 통신과 정밀한 실내 위치 추정을 동시에 지원하는 이중 용도 시스템을 개발하기 위해.
• 다중 경로 지배 환경에서 기존 OOK 대비 OFDM 기반 RSS 기반 후방 추정이 훨씬 높은 정확도를 제공하는지 입증하기 위해.
• 특히 다중 경로 효과가 가장 심각한 모서리 및 가장자리 영역에서 시스템 성능을 다양한 방 위치에서 검증하기 위해.

제안 방법

• 백색 LED 송신기(좌표가 사전에 알려져 있음)와 1.2 m 높이의 광다이오드(PD) 수신기를 사용하여 ACO-OFDM 시스템을 구현하였다.
• 채널의 DC 이득을 추정하기 위해 훈련 심벌을 사용하고, 각 LED로부터의 거리 추정을 위해 RSS 기반의 전력 감쇄를 활용하였다.
• 다중 거리 추정치로부터 선형 최소 제곱 추정을 사용한 후방 추정 알고리즘을 통해 수신기의 2차원 좌표를 계산하였다.
• 광채널 인력 응답은 벽, 천장, 바닥 반사와 반사 계수를 고려한 CDMMC 방법을 사용하여 모델링하였다.
• 4개의 LED가 (2,2), (2,4), (4,2), (4,4) 좌표에 위치한 직육면체 형태의 방(6 m × 6 m × 3.5 m)을 실제 LED 및 PD 파rameter를 반영하여 시뮬레이션하였다.
• 동일한 데이터 전송 속도에서 OFDM 및 OOK 변조 방식 간의 전체 방 범위에서의 위치 오차를 비교 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 경로 조건 하에서 OFDM 기반 VLC는 OOK에 비해 실내 위치 추정 정확도에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 특히 모서리 및 가장자리 영역에서 다중 경로 반사가 위치 오차 분포에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 OFDM-VLC 시스템은 고속 통신과 고정밀 실내 위치 추정을 동시에 지원할 수 있는가?
• RQ4 방의 다양한 영역에서 RMS 위치 오차는 어떻게 변화하며, OFDM과 OOK 간의 성능 차이는 어떠한가?
• RQ5 단일 대역 OOK 대비 OFDM는 신호 분산과 클리핑 노이즈로 인한 위치 오차를 어느 정도 감소시키는가?

주요 결과

• OFDM-VLC 시스템은 네 개의 LED가 커버하는 중심 직사각형 영역에서 RMS 위치 오차가 0.04 m로 측정되었으며, OOK 대비 0.43 m의 오차를 기록하였다.
• 전체 방 범위에서 OFDM의 RMS 오차는 0.53 m, OOK는 1.01 m로 나타나 정확도 향상이 뚜렷하게 확인되었다.
• 위치 오차는 중심에서 가장 작았으며(OFDM 기준 10^-6 m), 모서리 및 가장자리로 갈수록 증가하였고, (0,0) 위치에서 OFDM은 1.95 m, OOK는 2.18 m의 최악의 오차를 기록하였다.
• 위치 오차 히스토그램을 분석한 결과, OFDM의 90% 이상 오차가 0.1 m 이하로 집중되어 있었으며, OOK는 오차 분포가 넓어 1 m를 초과하는 오차가 다수 존재하였다.
• OFDM는 특히 다중 경로 효과가 심한 모서리 및 가장자리 영역에서 OOK보다 우수한 성능을 보였으며, 인터-symbol 간섭과 다중 경로 왜곡을 효과적으로 억제하기 때문이다.
• 결과적으로 OFDM 기반 RSS 기반 후방 추정은 산란하는 광채널에서도 강인하며, 이중 목적의 통신 및 위치 추정 시스템에 적합하다는 것이 확인되었다.