[論文レビュー] Indoor Positioning in High Speed OFDM Visible Light Communications

Mohammadreza Aminikashani, Wenjun Gu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、受信信号強度（RSS）およびlaterationを用いて受信機の座標を推定することにより、高精度なインドアポジショニングを実現するOFDMベースの可視光通信（VLC）システムを提案する。OFDMは、マルチパスに起因する誤差を効果的に低減できることから、OOK変復調方式と比較して顕著に優れた性能を示し、中央領域では0.04 mの平均二乗誤差（RMS）、全室範囲では0.53 mのRMS誤差を達成した。一方、OOK方式ではそれぞれ0.43 mおよび1.01 mであった。

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.

研究の動機と目的

• 高速インドアVLCシステムにおけるマルチパスに起因するポジショニング誤差の課題に対処すること。
• 現実的なインドア光チャネルにおけるOFDMおよびOOK変復調方式のポジショニング精度を評価・比較すること。
• OFDM-VLCを用いて、高速通信と高精度インドアポジショニングの両方を実現する二重用途システムを開発すること。
• マルチパス支配的環境において、OFDMベースのRSSに基づくlaterationが従来のOOK方式に比べて優れた精度を示すことを実証すること。
• 特にマルチパス効果が顕著に現れるコーナーやエッジ領域を含め、部屋内のさまざまな位置でシステム性能を検証すること。

提案手法

• 白色LED送信機（座標が既知）と1.2 mの高さに配置されたPD受信機を用いて、ACO-OFDMシステムを実装する。
• チャネルのDCゲイン推定にトレーニングシーケンスを用い、各LEDからの距離推定にRSSに基づく電力減衰を適用する。
• 複数の距離推定値から2次元座標を計算するため、線形最小二乗推定を用いたlaterationアルゴリズムを採用する。
• 光チャネルインパルス応答は、壁・天井・床の反射を反映したCDMMC手法でモデル化され、各反射面の反射率係数を設定する。
• 4つのLEDが(2,2)、(2,4)、(4,2)、(4,4)に配置された6 m × 6 m × 3.5 mの長方形部屋をシミュレーション対象とし、実際のLEDおよびPDパラメータを採用する。
• 同じデータレートでOFDMとOOK変復調方式の間で、全室範囲におけるポジショニング誤差を比較評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチパス条件下におけるOFDMベースのVLCとOOKのインドアポジショニング精度は、どのように比較されるか？
• RQ2 特にコーナーおよびエッジ領域において、マルチパス反射がポジショニング誤差分布に与える影響は何か？
• RQ3 OFDM-VLCシステムは、同時に高速通信と高精度インドアポジショニングを実現できるか？
• RQ4 部屋内の異なる領域におけるRMSポジショニング誤差はどのように変化するか？また、OFDMとOOKの性能差は何か？
• RQ5 OFDMは、シングルキャリアのOOKと比較して、信号分散およびクリッピングノイズに起因するポジショニング誤差をどの程度低減できるか？

主な発見

• OFDM-VLCシステムは、4つのLEDがカバーする中央領域でRMSポジショニング誤差が0.04 mに達し、OOK方式は0.43 mであった。
• 全室範囲では、OFDMのRMS誤差は0.53 m、OOKは1.01 mであり、精度の顕著な向上が確認された。
• 誤差は中央部で最小（OFDMで10^-6 m）となり、コーナーやエッジに近づくにつれて増加し、最も悪い誤差は(0,0)でOFDMが1.95 m、OOKが2.18 mであった。
• ポジショニング誤差のヒストグラムから、OFDMの90%が0.1 m未満であるのに対し、OOKは広範囲にわたり、多くの誤差が1 mを超えていた。
• OFDMは、特にマルチパスが顕著なコーナーやエッジ領域で、符号間干渉およびマルチパス歪みの抑制が優れているため、OOKに比して顕著に優れた性能を示した。
• 結果から、OFDMベースのRSS laterationが分散的光チャネルにおいても頑健であり、通信とポジショニングの二重用途システムに適していることが確認された。