[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出了一种基于正交频 division multiplexing（OFDM）的可见光通信（VLC）系统，通过利用训练序列估计信道直流增益，实现了高精度室内定位与高速数据传输的并行。系统采用接收信号强度（RSS）与三边测量法（lateration）估计接收机坐标，在多径环境及低信噪比（SNR）条件下，其定位精度优于OOK调制系统，各种配置下的均方根（RMS）误差均低于0.27米。

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.

研究动机与目标

• 解决现有室内定位系统依赖单载波调制且忽略多径效应的局限性。
• 开发一种支持高速通信与高精度室内定位的双功能VLC系统。
• 提升在色散性光信道中的定位精度，特别是在房间角落与边缘区域。
• 评估关键系统参数（如发射功率、调制阶数与FFT大小）对定位性能的影响。

提出的方法

• 设计基于强度调制-直接检测（IM/DD）的OFDM-VLC系统，利用训练序列进行信道估计与同步。
• 从训练序列中估计信道直流增益，以实现三边测量定位所需的精确路径损耗建模。
• 通过光电二极管测量接收信号强度（RSS），并利用路径损耗模型估算每个LED到接收机的距离。
• 三边测量算法利用已知位置的多个LED，通过三边测量法计算接收机的三维坐标。
• 采用4-QAM、16-QAM与64-QAM调制方式，评估不同频谱效率下的系统性能。
• 采用CDMMC（簇集延迟-多径信道）模型对多径效应进行建模，以模拟真实的室内光传播环境。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在多径衰落的情况下，基于OFDM的VLC系统是否能实现比传统OOK系统更优的室内定位精度？
• RQ2 在OFDM-VLC系统中，发射功率的选择如何影响定位精度？
• RQ3 增大FFT大小（子载波数量）是否能通过提升直流增益估计精度来改善定位精度？
• RQ4 在所提出的OFDM系统中，高阶调制（如16-QAM、64-QAM）对定位性能的影响有多大？
• RQ5 在低信噪比（SNR）条件下，系统在房间角落与边缘等困难区域的性能如何？

主要发现

• 所提出的OFDM-VLC系统在FFT大小为1024时，实现了0.2624米的RMS定位误差，优于较小FFT大小与OOK系统。
• 在15 dB SNR与4-QAM调制下，N=1024时RMS误差为0.2624米，较N=64时的0.2905米显著降低，表明子载波数量增加可提升精度。
• 系统在不同调制阶数下表现一致，RMS误差分别为0.2665米（16-QAM）与0.2716米（64-QAM），表明高谱效率下无显著性能退化。
• 在低SNR条件下，定位精度依然稳定，系统在低信号功率水平下仍能保持低于0.27米的RMS误差。
• 信道直流增益估计技术在高阶星座图中表现有效，无需额外硬件即可实现高精度定位。
• 系统在房间角落与边缘区域表现出优越性能，而这些区域通常会使传统系统因多径效应导致定位精度下降。