[论文解读] Plugo: a VLC Systematic Perspective of Large-scale Indoor Localization

Liang Qing, Ming Liu|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2017

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 26被引用 9

一句话总结

Plugo 提出了一种基于光电二极管的可见光通信（VLC）系统，采用分布式架构、单向通信和基于BFSA的随机多路访问方案，在共享光信道上实现大规模室内定位。在3m×3m的测试环境中，系统实现了平均0.14m、第90百分位0.33m的定位精度，通过实验和仿真验证了其可扩展性和鲁棒性。

ABSTRACT

Indoor localization based on Visible Light Communication (VLC) has been in favor with both the academia and industry for years. In this paper, we present a prototyping photodiode-based VLC system towards large-scale localization. Specially, we give in-depth analysis of the design constraints and considerations for large-scale indoor localization research. After that we identify the key enablers for such systems: 1) distributed architecture, 2) one-way communication, and 3) random multiple access. Accordingly, we propose Plugo -- a photodiode-based VLC system conforming to the aforementioned criteria. We present a compact design of the VLC-compatible LED bulbs featuring plug-and-go use-cases. The basic framed slotted Additive Links On-line Hawaii Area (ALOHA) is exploited to achieve random multiple access over the shared optical medium. We show its effectiveness in beacon broadcasting by experiments, and further demonstrate its scalability to large-scale scenarios through simulations. Finally, preliminary localization experiments are conducted using fingerprinting-based methods in a customized testbed, achieving an average accuracy of 0.14 m along with a 90-percentile accuracy of 0.33 m.

研究动机与目标

• 为解决大规模基于光电二极管的VLC室内定位系统中可靠信标广播的挑战。
• 识别并实现关键使能技术——分布式架构、单向通信和随机多路访问，以实现可扩展且鲁棒的定位。
• 设计一种即插即用的VLC系统，使用市售LED灯泡和光电二极管接收器，便于实际部署。
• 从精度、响应速度、可扩展性和鲁棒性等方面评估系统在真实和仿真环境中的性能。
• 展示在紧凑、低成本且低功耗的设置下，利用指纹识别实现高精度定位的可行性。

提出的方法

• 系统采用分布式架构，多个LED灯泡独立广播信标信号，无需集中协调。
• 采用单向通信，仅专注于从LED到光电二极管接收器的下行链路信标传输，以降低复杂度。
• 紧凑的即插即用设计支持通过OOK和曼彻斯特编码为VLC兼容LED灯泡分配唯一标识码，实现便捷部署。
• 通过帧时隙ALOHA（BFSA）协议实现随机多路访问，以管理共享光介质上的竞争。
• 光电二极管接收器捕获所有可见LED信号的线性组合，其权重由直流信道增益决定，实现空间复用。
• 基于指纹识别的定位方法利用接收信号强度测量，通过机器学习或查找表估算位置。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模基于光电二极管的VLC系统中，如何在共享光介质上实现可靠的信标广播？
• RQ2 哪些架构和协议设计原则能够实现大规模室内VLC定位的可扩展性和鲁棒性？
• RQ3 仅使用光电二极管接收器的低成本、即插即用VLC系统在多大程度上可实现厘米级定位精度？
• RQ4 随机多路访问（BFSA）在真实和仿真的大规模环境中的性能如何扩展？
• RQ5 在密集的光信标环境中，时隙分配与信标成功概率之间的权衡如何？

主要发现

• Plugo在3m×3m的测试环境中，基于指纹识别方法，实现了平均0.14m、第90百分位0.33m的定位精度。
• 系统表现出实时性能，定位更新频率约为9 Hz，显示出对动态定位的良好响应能力。
• 仿真结果表明，将每帧的时隙数从20增加到50，可将中位信标成功率从0.85提升至0.93，证实了系统的可扩展性。
• 仿真中信标成功率的直方图窄而高，表明在1600个位置上性能一致且可靠。
• 即使关闭一盏灯，定位精度也仅轻微下降，表明系统对部分照明故障具有内在鲁棒性。
• 与现有最先进方法相比，该系统在定位精度上表现更优，证明了所提出设计原则和基于BFSA的多路访问方案的有效性。