[论文解读] Physical Layer Performance Evaluation of Wireless Infrared-based LiFi Uplink

Cheng Chen, Dushyantha A. Basnayaka+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 24被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于评估无线红外LiFi上行链路系统物理层性能的分析框架，考虑了用户设备随机性、方向、路径损耗和遮挡等因素。该框架推导出光学信道路径损耗和信噪比（SNR）的精确统计模型，表明在真实室内环境下，使用商用前端组件可实现高达250 Mbps的平均数据速率。

ABSTRACT

LiFi (light-fidelity) is recognised as a promising technology for the next generation wireless access network. However, little research effort has been spent on the uplink transmission system in LiFi networks. In this paper, an analytical framework for the performance analysis of an wireless infrared-based LiFi uplink at system level is presented. This work focuses on the performance of a single user who is randomly located in a network. Many important factors in practice are taken into account, such as front-end characteristics, channel path loss, link blockage and user device random orientations. In particular, accurate analytical expressions for the statistics of optical channel path loss has been derived. Based on this path loss statistics, the distribution of signal-to-noise ratio (SNR) and the average achievable data rate are evaluated. A channel factor is defined as a quantity which only depends on the used devices, optical channel and noise power spectral density function (PSD). The result shows that with commercial front-end elements, an average data rate of up to 250 Mbps is achievable.

研究动机与目标

• 为解决LiFi网络上行链路传输缺乏系统性性能分析的问题，特别是针对基于无线红外的上行链路。
• 建立并量化实际限制因素（如用户设备（UE）位置随机性、方向和人体遮挡）对上行链路信道质量的影响。
• 开发一种适用于真实室内LiFi环境的光学信道路径损耗统计的精确分析框架。
• 在这些实际约束条件下，评估所得的信噪比（SNR）分布和平均可实现数据速率。
• 定义并分析一种信道因子，整合设备特性和环境参数，实现不依赖于特定信道实现的性能预测。

提出的方法

• 通过使用球坐标系和余弦增益函数建模用户设备位置和方向，推导出基于视 Line-of-Sight（LoS）分量的光学信道路径损耗统计特性的解析表达式。
• 通过概率遮挡模型引入人体用户（NUBs）对链路的遮挡影响，假设遮挡事件相互独立，遮挡概率为 $\bar{\mathcal{P}}_{\rm b}$。
• 采用截断拉普拉斯分布建模用户设备方向的角偏差，从而实现对随机方向的可处理积分。
• 应用渐近逼近技术，利用分段函数 $\mathcal{Y}_0(T)$ 平衡精度与计算复杂度，评估信道增益 $G$ 的累积分布函数（CDF）。
• 引入一种仅依赖于前端设备特性、光学信道参数和噪声功率谱密度（PSD）的信道因子，实现不依赖于瞬时信道状态的性能评估。
• 采用数值积分和特殊函数（指数积分 $\mathrm{Ei}$、Q函数、狄拉克δ函数）计算信道增益的CDF和SNR分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LiFi上行链路系统中，光学路径损耗的统计分布如何随用户设备随机位置和方向而变化？
• RQ2 人体遮挡对基于红外的LiFi上行链路的可靠性和数据速率有何影响？
• RQ3 在实际信道不确定性条件下，如何对信号与噪声比（SNR）分布进行解析建模？
• RQ4 在考虑路径损耗、遮挡和设备特性的情况下，无线红外LiFi上行链路的可实现平均数据速率是多少？
• RQ5 如何定义一种信道因子，以整合系统特定参数并实现可扩展的性能评估？

主要发现

• 本文推导出一种精确的解析表达式，用于光学信道增益的累积分布函数（CDF），综合考虑了路径损耗、用户位置、方向和遮挡影响。
• SNR分布显著依赖于用户随机位置和方向，房间内各处差异明显，尤其在遮挡区域更为显著。
• 系统中平均可实现数据速率通过解析方法评估，结果表明在使用商用前端组件和真实部署条件下，可达到高达250 Mbps。
• 信道因子被定义为仅依赖于设备特性、光学信道参数和噪声功率谱密度（PSD）的系统级指标，实现无需完整信道状态信息的性能预测。
• 所提出的信道增益CDF近似方法在感兴趣的动态范围内实现了高精度（误差阈值 $1 \times 10^{-2}$），并通过数值积分得到验证。
• 该模型考虑了由于用户移动性和遮挡导致的信号强度非均匀性，表明若不通过波束成形或分集技术缓解，遮挡概率会显著降低平均数据速率。