[논문 리뷰] Performance Analysis of Integrated Power-Line/Visible-Light Communication Systems with AF Relaying

Waled Gheth, Khaled M. Rabie외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 26.

Power Line Communications and Noise참고 문헌 27인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실내 데이터 전송 신뢰성과 사용자 이동성 향상을 위해 하이브리드 파wr라인 통신(PLC)/가시광선 통신(VLC) 시스템에서 수신 증폭 전달(AF) 중계 기법을 제안한다. 기존의 파워라인을 PLC 백본으로 활용하고, PLC 링크에서 온라인된 신호를 AF 중계기를 통해 VLC 링크로 전달함으로써, 더 높은 중계 이득과 더 짧은 엔드 투 엔드 거리에서 평균 용량 향상이 가능해지나, 하이브리드/PLC 시스템은 이동성 감소를 감수하면서도 뛰어난 성능을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• PLC/VLC 계단식 시스템에서 AF 중계 기법을 적용한 실내 통신 성능을 조사한다.
• 통계적 채널 모델을 사용하여 하이브리드 시스템의 평균 용량을 계산하기 위한 분석 프레임워크를 개발한다.
• 중계 이득, 소스에서 중계기까지의 거리, 중계기에서 사용자까지의 수직 거리와 같은 주요 시스템 파라미터가 시스템 성능에 미치는 영향을 평가한다.
• 제안된 하이브리드 시스템과 병렬 하이브리드/PLC 시스템 간의 용량과 이동성 간의 상충 관계를 비교한다.

제안 방법

• PLC 및 VLC 채널의 통계적 특성을 활용하여 PLC/VLC 시스템의 평균 용량에 대한 분석적 표현을 유도한다.
• PLC 링크는 주파수 선택성 fading과 임펄스 노이즈를 모델링하고, VLC 링크는 시야 내 전송 및 강도 변조를 적용한다.
• 중계기가 PLC 신호를 수신 증폭하여 VLC 수신기로 전달하는 수신 증폭 전달(AF) 중계 프로토콜을 적용한다.
• 모멘트 생성 함수(MGF) 기법과 통계적 근사 기법을 사용하여 폐쇄형 용량 표현식을 유도한다.
• 실제 실내 시스템 파rameter 조건 하에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 타당성을 검증한다.
• 제안된 하이브리드 시스템을 병렬 하이브리드/PLC 시스템과 비교하며, 수신기가 PLC와 하이브리드 경로에서 동시에 신호를 수신하는 경우를 대비한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중계 이득이 PLC/VLC AF 중계 시스템의 평균 용량에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 소스에서 중계기까지의 거리가 증가할 경우 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 중계기와 사용자 평면 사이의 수직 거리가 실현 가능한 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 하이브리드 시스템의 성능가 병렬 하이브리드/PLC 시스템과 용량 및 신뢰성 측면에서 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ5 제안된 하이브리드 시스템과 하이브리드/PLC 시스템 간의 시스템 용량과 사용자 이동성 간의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 중계 이득이 높아질수록 평균 용량이 크게 증가하며, 동일 조건에서 이득이 0 dB에서 20 dB로 증가할 경우 약 30% 향상된다.
• 중계기와 사용자 평면 사이의 수직 거리가 증가할수록 성능이 열악해지며, 7 W 입력 전력 조건에서 수직 거리가 1.15 m일 경우 0.12 bits/s/Hz에서 3.15 m일 경우 0.04 bits/s/Hz로 용량이 감소한다.
• 소스에서 중계기까지의 거리가 15 m에서 45 m로 증가할 경우 용량 저하가 뚜렷하게 나타나며, 특히 저입력 전력 수준에서 두드러진다.
• 하이브리드/PLC 시스템은 제안된 하이브리드 시스템보다 평균 용량 측면에서 뛰어나며, 동일한 중계 이득과 입력 전력 조건에서 최대 3.5배 높은 용량을 달성한다.
• 낮은 용량에도 불구하고 하이브리드 시스템은 광무선 전송을 활용함으로써 뛰어난 사용자 이동성을 제공하여 이동성이 중요한 실내 응용 분야에 더 적합하다.