[论文解读] Design of a visible-light-communication enhanced WiFi system

Sihua Shao, Abdallah Khreishah+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 8被引用 10

一句话总结

本文提出并实现了一种混合WiFi-VLC系统，利用可见光进行下行链路传输，WiFi进行上行链路传输，以在高密度环境中提升网络容量和鲁棒性。通过在Linux中使用链路聚合技术整合WiFi和VLC链路，该系统在干扰或阻塞条件下，相比独立的WiFi系统，实现了更高的吞吐量和更低的网页加载时间。

ABSTRACT

Visible light communication (VLC) has wide unlicensed bandwidth, enables communication in radio frequency (RF) sensitive environments, realizes energy-efficient data transmission, and has the potential to boost the capacity of wireless access networks through spatial reuse. On the other hand, WiFi provides more coverage than VLC and does not suffer from the likelihood of blockage due to the light of sight (LOS) requirement of VLC. In order to take the advantages of both WiFi and VLC, we propose and implement two heterogeneous systems with Internet access. One is the hybrid WiFi-VLC system, utilizing unidirectional VLC channel as downlink and reserving the WiFi back-channel as uplink. The asymmetric solution resolves the optical uplink challenges and benefits from the full-duplex communication based on VLC. To further enhance the robustness and increase throughput, the other system is presented, in which we aggregate WiFi and VLC in parallel by leveraging the bonding technique in Linux operating system. Online experiment results reveal that the hybrid system outperforms the conventional WiFi for the crowded environments in terms of throughput and web page loading time; and also demonstrate the further improved performance of the aggregated system when considering the blocking duration and the distance between access point and user device.

研究动机与目标

• 通过将可见光通信（VLC）与现有WiFi基础设施集成，解决无线网络中的‘频谱枯竭’问题。
• 通过利用WiFi作为可靠的上行链路信道，克服VLC系统中光学上行链路的挑战。
• 通过WiFi和VLC的混合与聚合使用，提升密集环境下的网络容量和鲁棒性。
• 在真实场景条件下（如距离、遮挡和干扰）评估混合与聚合系统的性能。

提出的方法

• 设计一种混合系统，其中VLC作为单向下行链路，WiFi作为上行链路，避免光学上行链路的复杂性。
• 在Linux操作系统中实现链路聚合，将WiFi和VLC的数据流合并以提升吞吐量。
• 采用标准IEEE 802.11 a/b/g/n WiFi和基于LED的VLC，实现在真实室内环境中的实用部署。
• 通过10个客户端的在线实验，包括一个客户端下载1GB文件，模拟真实网络拥塞情况。
• 使用Pingdom测量网页加载时间，通过TCP吞吐量测量在不同距离和遮挡持续时间下的性能表现。
• 将遮挡持续时间从每分钟5秒至30秒不等进行变化，以评估对系统可靠性与吞吐量的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在网络拥塞的情况下，混合WiFi-VLC系统是否能在吞吐量和网页加载时间方面优于传统WiFi？
• RQ2 WiFi与VLC之间的链路聚合如何影响端到端网络性能与可靠性？
• RQ3 VLC发射端与接收端之间距离增加会对系统吞吐量产生何种影响？
• RQ4 间歇性信道遮挡对VLC系统性能的影响，相较于仅使用WiFi的系统有何不同？
• RQ5 在遮挡和长距离条件下，聚合系统能否保持高于仅使用WiFi系统的最低吞吐量？

主要发现

• 在10个客户端的网络中，其中一个客户端下载1GB文件时，混合VLC系统相比仅使用WiFi的系统实现了显著更低的网页加载时间，30%的测试中加载时间低于5秒。
• 在吞吐量稳定性方面，聚合系统优于仅使用WiFi和混合VLC系统，即使在遮挡条件下也能维持更高的下限吞吐量。
• 当距离超过4.1米时，仅使用WiFi的系统优于混合VLC系统，原因是VLC的吞吐量迅速下降。
• 即使每分钟有30秒的遮挡时间，基于VLC的系统仍保持高于仅使用WiFi系统的TCP吞吐量，表现出对间歇性遮挡的强适应能力。
• 聚合系统表现出更强的鲁棒性，吞吐量从未低于仅使用WiFi系统的水平，证实其在恶劣条件下的可靠性。
• 混合系统降低了高密度环境中的网络延迟和竞争，验证了其在卸载射频频谱拥塞方面的潜力。