[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种在混合电力线通信（PLC）/可见光通信（VLC）系统中采用放大-转发（AF）中继的方案，以提升室内数据传输的可靠性与用户移动性。通过利用现有电力线作为PLC骨干，并使用AF中继将信号从PLC链路转发至VLC链路，该系统在中继增益较高且端到端距离较短时，实现了更高的平均容量，尽管混合/PLC系统性能更优，但代价是移动性降低。

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.

研究动机与目标

• 研究级联PLC/VLC系统在采用AF中继时的性能表现。
• 建立基于统计信道模型的分析框架，用于计算混合系统的平均容量。
• 评估关键系统参数（如中继增益、源节点到中继距离、中继到用户垂直距离）对系统性能的影响。
• 从容量与移动性权衡的角度，对比所提出的混合系统与并行混合/PLC系统的性能。

提出的方法

• 利用PLC与VLC信道的统计特性，推导出PLC/VLC系统平均容量的解析表达式。
• 将PLC链路建模为频率选择性衰落与脉冲噪声，将VLC链路建模为视 Line-of-Sight 传输与强度调制。
• 采用放大-转发（AF）中继协议，即中继对PLC信号进行放大并转发至VLC接收端。
• 运用矩生成函数（MGF）技术与统计近似方法，推导出闭式容量表达式。
• 在真实室内系统参数条件下，通过蒙特卡洛仿真验证分析结果的准确性。
• 将所提出的混合系统与并行混合/PLC系统进行对比，后者中接收端同时接收来自PLC与混合路径的信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 中继增益如何影响PLC/VLC AF中继系统的平均容量？
• RQ2 增加源节点到中继的距离会对系统性能产生何种影响？
• RQ3 中继与用户平面之间的垂直距离如何影响可实现的容量？
• RQ4 所提出的混合系统在容量与可靠性方面与并行混合/PLC系统相比表现如何？
• RQ5 在所提出的混合系统与混合/PLC系统中，系统容量与用户移动性之间存在何种权衡？

主要发现

• 当中继增益从0 dB提升至20 dB时，平均容量显著提高，在相同条件下提升约30%。
• 随着中继与用户平面之间垂直距离的增加，性能下降；在7 W输入功率下，容量从1.15 m处的0.12 bits/s/Hz降至3.15 m处的0.04 bits/s/Hz。
• 当源节点到中继距离从15 m增加至45 m时，容量明显下降，尤其在低输入功率水平下更为显著。
• 在相同中继增益与输入功率条件下，混合/PLC系统在平均容量方面优于混合系统，最高可达3.5倍的容量增益。
• 尽管容量较低，混合系统由于采用光学无线传输，具备更优的用户移动性，因此更适合移动室内应用场景。