[論文レビュー] Performance Analysis of Integrated Power-Line/Visible-Light Communication Systems with AF Relaying

Waled Gheth, Khaled M. Rabie+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2018

Power Line Communications and Noise参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、屋内データ伝送の信頼性とユーザーの移動性を向上させるために、ハイブリッド電力線通信（PLC）/可視光通信（VLC）システムにおけるアンプ・アンド・フォワード（AF）リレーシンの提案を行う。既存の電力線をPLCバックボーンとして活用し、AFリレ一がPLCリンクからVLCリンクへ信号を中継することで、特にリレーゲインが高く、エンドツーエンド距離が短い場合に平均容量が向上するが、移動性が低下する代わりにハイブリッド/PLCシステムは優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

Reliable data transmissions and offering better mobility to the end user can be achieved by integrating different communication systems. In this paper, we investigate the performance of a cascaded indoor power line communication (PLC)/visible light communication (VLC) system with the presence of an amplify-and-forward (AF) relay. Using the pre-installed infrastructure of electricity wiring networks gives the advantage to use PLC as a backbone for VLCs. The performance of the proposed hybrid system is discussed in terms of the average capacity. A mathematical method is developed for this network to formulate the capacity by exploiting the statistical properties of both the PLC and VLC channels. The derived analytical expressions are validated by Monte Carlo simulations. The results showed that there is a considerable improvement in the performance of the hybrid system as the relay gain increases whereas it deteriorates with increasing the end-to-end distance. A comparison between the performance of a parallel hybrid/PLC and hybrid systems is also provided. It is found that the hybrid/PLC system outperforms the hybrid one. However, the user mobility offered by the latter system remains the main advantage over the former approach.

研究の動機と目的

• 屋内通信を目的とした、AFリレーシンを用いたカスケード型PLC/VLCシステムの性能を調査すること。
• 統計的チャネルモデルを用いて、ハイブリッドシステムの平均容量を計算する解析的フレームワークを構築すること。
• リレーゲイン、送信元からリレーまでの距離、リレーからユーザーまでの垂直距離といった主要なシステムパラメータがシステム性能に与える影響を評価すること。
• 提案されたハイブリッドシステムと並列型ハイブリッド/PLCシステムとの間で、容量と移動性のトレードオフを比較すること。

提案手法

• PLCおよびVLCチャネルの統計的特性を用いて、PLC/VLCシステムの平均容量に関する解析的表現を導出する。
• PLCリンクを周波数選択的 fading およびインパulseノイズでモデル化し、VLCリンクを視線伝送および強度変調でモデル化する。
• リレーがPLC信号を増幅し、VLC宛先にフォワードするアンプ・アンド・フォワード（AF）リレーシンプロトコルを適用する。
• モーメント生成関数（MGF）技術および統計的近似を用いて、閉形式の容量表現を導出する。
• 現実的な屋内システムパrameterを想定し、モンテカルロシミュレーションを用いて解析結果を検証する。
• 提案されたハイブリッドシステムと、受信側がPLCおよびハイブリッド経路の両方からの信号を受信する並列型ハイブリッド/PLCシステムを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リレーゲインは、PLC/VLC AFリレーシンシステムの平均容量にどのように影響するか？
• RQ2 送信元からリレーまでの距離を延長した場合、システム性能にどのような影響が生じるか？
• RQ3 リレーとユーザー平面との垂直距離が、達成可能な容量に与える影響は何か？
• RQ4 提案されたハイブリッドシステムと並列型ハイブリッド/PLCシステムとの間で、容量および信頼性の観点から性能にどのような差が生じるか？
• RQ5 提案されたハイブリッドシステムとハイブリッド/PLCシステムとの間で、システム容量とユーザー移動性の間にはどのようなトレードオフが存在するか？

主な発見

• リレーゲインが高くなるほど平均容量が顕著に向上し、同じ条件下でゲインを0 dBから20 dBに増加させると、容量は約30%向上する。
• リレーとユーザー平面との垂直距離が増加するにつれて性能が劣化する。入力電力7 Wの場合、垂直距離が1.15 mから3.15 mに増加すると、容量は0.12ビット/秒/Hzから0.04ビット/秒/Hzに低下する。
• 送信元からリレーまでの距離を15 mから45 mに延長すると、特に低入力電力レベルで容量の著しい低下が生じる。
• 同じリレーゲインおよび入力電力条件下で、ハイブリッド/PLCシステムはハイブリッドシステムを上回り、最大3.5倍の高い容量を達成する。
• 容量が低いものの、光無線伝送を採用しているため、ハイブリッドシステムは優れたユーザー移動性を実現しており、移動可能な屋内アプリケーションに適している。