[论文解读] 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 14

一句话总结

本文提出一种基于正交频 division multiplexing (OFDM) 的可见光通信（VLC）系统，用于高精度室内定位，利用接收信号强度（RSS）和后向测距法估算接收机坐标。结果表明，与OOK调制相比，OFDM显著降低了多径引起的误差，实现了更高的定位精度：在中央区域的均方根（RMS）定位误差为0.04 m，整个房间范围内的RMS误差为0.53 m，而OOK调制的对应值分别为0.43 m和1.01 m，这是由于OFDM有效抑制了多径效应的影响。

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.

研究动机与目标

• 解决高速室内VLC系统中多径引起的定位误差问题。
• 评估并比较OFDM与OOK调制方案在真实室内光信道中的定位精度。
• 开发一种双用途系统，利用OFDM-VLC同时支持高速通信与高精度室内定位。
• 证明在多径主导环境中，基于OFDM的RSS后向测距法相比传统OOK调制具有更高的定位精度。
• 在不同房间位置（尤其是多径效应最严重的角落和边缘区域）验证系统性能。

提出的方法

• 采用白光LED发射器（已知坐标）和位于1.2 m高度的光电探测器（PD）实现ACO-OFDM系统。
• 系统使用导频序列进行信道直流增益估计，并利用基于RSS的信号衰减模型估算每个LED的距离。
• 采用线性最小二乘法的后向测距算法，根据多个距离估计值计算接收机的二维坐标。
• 采用CDMMC方法建模光信道的冲击响应，考虑墙壁、天花板和地板的反射，并设定相应的反射系数。
• 在6 m × 6 m × 3.5 m的矩形房间中进行仿真，四个LED位于(2,2)、(2,4)、(4,2)和(4,4)位置，采用真实LED与PD参数。
• 在相同数据速率下，计算整个房间范围内的定位误差，并对比OFDM与OOK调制的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多径条件下，基于OFDM的VLC系统与OOK调制在室内定位精度方面有何差异？
• RQ2 多径反射对定位误差分布的影响如何，特别是在角落和边缘区域？
• RQ3 OFDM-VLC系统能否同时支持高速通信与高精度室内定位？
• RQ4 RMS定位误差在房间不同区域如何变化？OFDM与OOK之间的性能差异是什么？
• RQ5 与单载波单一调制的OOK相比，OFDM在信号色散和削峰噪声影响下，能将定位误差降低多少？

主要发现

• 在四个LED覆盖的中央矩形区域内，OFDM-VLC系统的RMS定位误差为0.04 m，而OOK调制为0.43 m。
• 在整个房间范围内，OFDM的RMS误差为0.53 m，OOK为1.01 m，表明定位精度有显著提升。
• 定位误差在中心区域最小（OFDM为10^-6 m），并向角落和边缘区域逐渐增大，最差误差出现在(0,0)点，OFDM为1.95 m，OOK为2.18 m。
• 定位误差的直方图显示，90%的OFDM误差低于0.1 m，而OOK误差分布较广，大量误差超过1 m。
• 由于对符号间干扰和多径失真具有更好的抑制能力，OFDM在高多径区域（如角落和边缘）表现优于OOK。
• 结果证实，基于OFDM的RSS后向测距法在色散光信道中具有鲁棒性，适用于兼具通信与定位功能的双用途系统。