[论文解读] Bidirectional Optical Spatial Modulation for Mobile Users: Towards a Practical Design for LiFi Systems

Mohammad Soltani, Mohamed Amine Arfaoui+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2018

Optical Wireless Communication Technologies被引用 7

一句话总结

本文提出用于移动LiFi用户的双向光空间调制（OSM），采用多方向光电二极管接收器（MDR）和自适应接入点（AP）选择，以克服移动性、设备方向和遮挡带来的挑战。在误码率（BER）为3.8×10⁻³时，相比屏幕接收器（SR）实现超过10 dB的信噪比（SNR）增益，并通过理论分析与实测验证，在下行链路和上行链路中均表现出高能效。

ABSTRACT

Among the challenges of realizing the full potential of light-fidelity (LiFi) cellular networks are user mobility, random device orientation and blockage. We study the impact of those challenges on the performance of LiFi in an indoor environment using measurement-based channel models. We adopt spatial modulation (SM), which has been shown to be energy efficient in many applications, including LiFi. We consider two configurations for placing the photodiodes (PDs) on the user equipment (UE). The first one is referred to as the screen receiver (SR) whereby all the PDs are located on one face of the UE, whereas the other one is a multi-directional receiver (MDR), in which the PDs are located on different sides of the UE. The latter configuration was motivated by the fact that SR exhibited poor performance in the presence of random device orientation and blockage. We show that MDR outperforms SR by over $10$ dB at BER of $3.8\ imes10^{-3}$. Moreover, an adaptive access point (AP) selection scheme for SM is considered where the number of APs are chosen adaptively in an effort to achieve the lowest energy requirement for a target BER and spectral efficiency. The user performance with random orientation and blockage in the whole room is evaluated for sitting and walking activities. For the latter, we invoke the orientation-based random waypoint (ORWP) mobility model. We also study the performance of the underlying system on the uplink channel where the same techniques are used for the downlink channel. Specifically, as the transmitted uplink power is constrained, the energy efficiency of SM is evaluated analytically. It is shown that the multi-directional transmitter (MDT) with adaptive SM is highly energy efficient. As a benchmark, we compare the performance of the proposed framework to that of the conventional spatial multiplexing system, and demonstrate the superiority of the proposed one.

研究动机与目标

• 解决室内环境中用户移动性、设备随机方向和视 Line-of-Sight（LoS）阻塞导致的LiFi系统性能下降问题。
• 克服传统屏幕接收器（SR）在设备随机方向和遮挡下性能较差的局限性。
• 设计一种实用且高能效的LiFi系统，采用空间调制（SM）技术，结合多方向光电二极管接收器（MDR）与自适应接入点（AP）选择。
• 利用基于实测的信道模型而非理论假设，在真实室内场景中评估系统性能。
• 通过分析在上行链路受限发射功率下的能效，将SM框架扩展至上行链路。

提出的方法

• 在LiFi中采用空间调制（SM），通过激活的LED选择编码空间信息，通过PAM调制编码信号信息。
• 实现两种光电二极管接收器配置：所有PD位于同一表面的屏幕接收器（SR），以及PD分布在多个表面的多方向接收器（MDR）。
• 采用基于方向的随机行进（ORWP）移动模型，模拟用户行走和就坐时的随机设备旋转行为。
• 提出一种自适应AP选择方案，动态选择接入点数量，以最小化目标误码率（BER）和频谱效率下的能量消耗。
• 利用高斯近似和矩阵行列式恒等式，推导互信息的下限，考虑信道相关性和噪声方差。
• 通过建模受限的上行链路发射功率，分析多方向发射器（MDT）在自适应SM下的上行链路能效。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室内环境中，用户移动性和随机设备方向对使用传统屏幕接收器（SR）的LiFi系统性能有何影响？
• RQ2 在随机方向和遮挡条件下，多方向接收器（MDR）相比屏幕接收器（SR）在误码率（BER）性能上提升程度如何？
• RQ3 在移动LiFi系统中，为实现目标BER和频谱效率，最小化能量消耗的最优接入点（AP）数量是多少？
• RQ4 所提出的双向OSM框架在受限发射功率下的上行链路传输中表现如何？其能效如何？
• RQ5 基于实测的信道模型与理论模型相比，在预测移动性和遮挡条件下的真实LiFi性能时表现如何？

主要发现

• 在随机设备方向和遮挡条件下，多方向接收器（MDR）在误码率（BER）为3.8×10⁻³时，相比屏幕接收器（SR）实现超过10 dB的信噪比（SNR）增益。
• 自适应AP选择方案能有效降低能量消耗，同时保持目标频谱效率和误码率，展示了移动LiFi网络中的实际能效优势。
• 所提出的双向OSM系统在真实室内环境中实现了高 spectral efficiency 和强鲁棒性，基于实测信道模型得到验证。
• 在受限发射功率下，多方向发射器（MDT）结合自适应SM的上行链路能效经理论证明具有极高效率。
• 与传统空间复用相比，所提出的OSM框架在移动性和遮挡条件下展现出更优的误码率和能效性能。
• 推导出的互信息下限为系统性能提供了紧致的理论估计，经仿真和实测结果验证。