陳生海,言小琴,黎賽,楊亮
(湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)
電力線通信可以利用建筑中已有的電力線網(wǎng)絡(luò),不需要部署新的線路,建設(shè)成本較低,且信號傳輸不易受建筑等環(huán)境因素影響[1-2]。根據(jù)不同的電壓水平,電力線通信(PLC,power line communication)可以通過低壓電纜、中壓電纜和高壓電纜進(jìn)行通信[3-4]。與其他通信方式相比,PLC 具有覆蓋范圍廣、連接方便等特點,且不需要重新布線,可解決小區(qū)內(nèi)智能電表、照明系統(tǒng)和視頻監(jiān)控的“最后一公里”通信問題。文獻(xiàn)[5]提出了一種室內(nèi)窄帶PLC 網(wǎng)絡(luò)模型,并通過實驗仿真給出了合適的電纜和電器類型。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于PLC 和可見光通信(VLC,visible light communication)混合的新型室內(nèi)寬帶廣播系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]研究了室內(nèi)多輸入多輸出(MIMO,multiple-input multiple-output)PLC信道中的空間相關(guān)性。此外,PLC 已成為智能電網(wǎng)(SG,smart grid)中雙向通信主要技術(shù)之一[8]。
近年來,自由空間光(FSO,free space optical)通信作為一種安全和高傳輸速率的通信技術(shù)受到了通信行業(yè)廣泛關(guān)注,F(xiàn)SO 通信具有非授權(quán)頻譜、安裝便捷、功耗低以及與射頻(RF,radio frequency)通信兼容的優(yōu)點[9-10]。目前,針對FSO 混合系統(tǒng)學(xué)者開展了系列研究,文獻(xiàn)[11-15]研究了混合FSO-RF 通信系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)[16]提出了混合RF-FSO 通信系統(tǒng),并對推導(dǎo)出的中斷概率進(jìn)行了仿真驗證。文獻(xiàn)[17]研究了混合RF-FSO 通信系統(tǒng)誤碼率(BER,bit error rate)和中斷概率性能。文獻(xiàn)[18]研究了混合RF-FSO 通信系統(tǒng)在深空通信中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[19]研究了基于毫米波的RF-FSO 鏈路組成的多跳和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)[20-21]研究了混合RF-FSO-RF 通信系統(tǒng)的性能。
在智慧城市中,成千上萬的智能電表、視頻監(jiān)控及照明系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)中,盡管單條PLC 鏈路是低速率傳輸,但是眾多低速率的PLC 鏈路匯聚后再同時傳輸,對傳輸速率提出了要求。此外,由于PLC信道衰落較大,為了增加PLC 鏈路覆蓋距離,最有效的方法就是采用中繼方案,已有文獻(xiàn)提出各種PLC中繼方案,如PLC-RF、PLC-VLC 等[22-24]?;诖?,本文提出一種新的異構(gòu)方案,即采用一條FSO 鏈路來實現(xiàn)對低速率PLC 鏈路的匯聚,從而起到連接PLC 鏈路用戶和遠(yuǎn)處核心網(wǎng)的作用。本文異構(gòu)方案具有如下優(yōu)點。1) 在建筑物樓頂搭建FSO 收發(fā)裝置,而不需要在地面鋪設(shè)光纖來實現(xiàn)大容量傳輸需求,從而節(jié)省大量時間、經(jīng)濟(jì)等資源;2) 采用異構(gòu)組網(wǎng)方案,即每條鏈路工作在不同的頻段,從而克服了信號干擾問題。
另外,文獻(xiàn)[25-27]考慮了基于三相電的電力線通信系統(tǒng),即MIMO PLC,但此類文獻(xiàn)側(cè)重于系統(tǒng)方案設(shè)計,主要通過仿真實驗來探討方案的優(yōu)缺點,而不是給出性能分析來研究其特性,如從中斷概率、誤碼率或系統(tǒng)容量等常用通信系統(tǒng)性能指標(biāo)來研究方案特性?;诖耍疚膹男阅芊治龅慕嵌葋硖接懰岱桨?。本文注意到文獻(xiàn)[28]也考慮了類似系統(tǒng),但是其只給出解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF,decode-and-forward)協(xié)議下的系統(tǒng)性能分析。目前尚未有文獻(xiàn)給出放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF,amplify-and-forward)協(xié)議下的PLC-FSO 通信系統(tǒng)性能分析。因此,本文提出一種AF 協(xié)議下PLC-FSO異構(gòu)方案,為了分析方便,只考慮圖1 中單發(fā)射器接入電力線網(wǎng)絡(luò)的情況并研究其系統(tǒng)性能,重點運用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法對該系統(tǒng)性能進(jìn)行全面分析。
本文的主要研究工作如下。
1) 提出并分析了一種混合PLC-FSO 通信系統(tǒng),F(xiàn)SO 鏈路通過放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼連接到PLC 鏈路。PLC鏈路受附加背景噪聲和脈沖噪聲影響,信道衰落建模為對數(shù)正態(tài)(log-normal)分布,而FSO 信道衰落服從Gamma-Gamma 分布,并考慮指向誤差影響。
2) 推導(dǎo)了系統(tǒng)端到端信噪比(SNR,signal-to-noise)的概率密度函數(shù)(PDF,probability density function)和累積分布函數(shù)(CDF,cumulative distribution function)的閉式表達(dá)式。同時,推導(dǎo)出中斷概率、平均誤碼率和信道容量相應(yīng)的表達(dá)式。
3) 通過蒙特卡羅仿真驗證了關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)整體性能的影響,并進(jìn)行分析。
本文研究了一個混合雙跳PLC-FSO 通信系統(tǒng),主要由3 個部分組成:發(fā)射端、帶有FSO 發(fā)送器的中繼和具有FSO 探測器的接收端,系統(tǒng)模型如圖1所示。發(fā)射端在T1時隙通過PLC 鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼R,R 處的光電探測器將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號,光信號在T2時隙通過FSO 鏈路傳輸?shù)浇邮斩恕?/p>
圖1 混合雙跳PLC-FSO 通信系統(tǒng)模型
數(shù)據(jù)x經(jīng)過二進(jìn)制調(diào)制后在T1時隙通過電力線傳送至中繼R。因此,R 處接收到的信號為[24]
其中,PS是發(fā)送端的功率,hSR是信道衰落系數(shù),nSR是PLC 信道的附加噪聲。使用對數(shù)正態(tài)分布對hSR進(jìn)行建模,其PDF 表示為[24]
其中,Pi=λTi為脈沖噪聲到達(dá)的概率,η=為脈沖噪聲與背景噪聲的功率比。
假設(shè)發(fā)送節(jié)點的功率PS(單位為dB),接收節(jié)點的功率為PR(單位為dB),距離衰減因子為PL(單位為dB/km)。則中繼接收到的功率與距離di的關(guān)系可表示為[29]
將式(4)中的各功率轉(zhuǎn)換為以W 為單位,則有PdB=10lgPW,PdB和PW分別為以dB 和W 為單位的功率。
由于脈沖噪聲并不存在于整個T1時隙內(nèi)。因此,當(dāng)PLC 鏈路中只有背景噪聲時,PLC 鏈路的瞬時SNR 為[24]
根據(jù)文獻(xiàn)[24],瞬時信噪比γSR的PDF 可表示為
在T2時隙,中繼R 將接收到的信號通過FSO信道傳輸?shù)侥康亩?。具體信號處理流程如圖2 所示。在中繼R 處將PLC 電信號轉(zhuǎn)換為光信號,為了確保發(fā)射的光信號在FSO 信道中不失真,需要在信源的主調(diào)制模塊將直流(DC,direct current)偏置B與PLC 交流電信號x進(jìn)行疊加,保持調(diào)制信號的非負(fù)性。因此,在 R 處的光信號可表示為,其中?是電光轉(zhuǎn)換系數(shù)。因此,在目的端光探測器處接收到的光信號可以表示為
圖2 信號處理流程
其中,G表示固定放大增益,nRD表示均值為零且方差為N的AWGN,hRD表示FSO 信道系數(shù)。在式(10)中,,其中,ha為受大氣湍流影響的衰落系數(shù),是由衰減系數(shù)σ和激光距離L確定的路損常數(shù),hp表示指向誤差損失因子。根據(jù)文獻(xiàn)[31],,其中,為孔徑半徑a和束腰w之比,等效光束半徑,r為D處的徑向位移。
在目的端,在光電轉(zhuǎn)換器的協(xié)助下,光信號被轉(zhuǎn)換為電信號。AC/DC 分離器將電信號分離成AC分量和DC 分量,再通過解調(diào)器把原始信號解調(diào)出來。因此,系統(tǒng)端到端信噪比為
根據(jù)文獻(xiàn)[32],系統(tǒng)整體瞬時信噪比γo的PDF如式(14)所示。
1) 中斷概率分析
系統(tǒng)中斷概率為
由于 Pr{(x-γ)γRD 將式(8)、式(9)和式(13)代入式(17),可得γo的CDF 表達(dá)式如式(18)所示。把γ=γth代入式(18)中,可得系統(tǒng)的中斷概率。 2) 平均BER 分析 3) 信道容量 系統(tǒng)信道容量為 因此,信道容量的上邊界Cbound為 本節(jié)通過基于蒙特卡羅仿真方法的數(shù)值仿真來驗證分析結(jié)果。根據(jù)文獻(xiàn)[27,31],并假設(shè),相關(guān)參數(shù)的具體設(shè)置如表1 和表2所示。 表1 PLC 鏈路參數(shù) 表2 FSO 鏈路參數(shù) 圖3 給出了參數(shù)(α,β)=(4.08,1.48),ξ不同取值時系統(tǒng)的中斷概率??梢杂^察到,增加ξ的值能顯著改善中斷性能,因為ξ的值越大,光束的抖動值越小,指向誤差對FSO信道的影響越弱。圖3 同時給出了PLC-FSO 通信系統(tǒng)分別工作在AF 和DF 協(xié)議下的中斷概率,從圖3 可以看出,系統(tǒng)工作于AF 協(xié)議下時有更低的中斷概率。原因是采用AF 協(xié)議可以獲得分集增益,而DF 協(xié)議沒有,相比于DF 協(xié)議,盡管AF 協(xié)議也同時放大了噪聲,但此時分集增益在改善系統(tǒng)性能中占了主導(dǎo)因素。 圖3 ξ 不同取值時系統(tǒng)中斷概率 圖4 Pi 不同取值時系統(tǒng)誤碼率 圖5 不同取值時系統(tǒng)容量 基于電力線和自由空間光的雙媒質(zhì)協(xié)作通信技術(shù)可以整合優(yōu)勢通信能力和資源,提升系統(tǒng)的整體性能。本文對AF 中繼協(xié)議下電力線和自由空間光的異構(gòu)通信系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模、性能推導(dǎo)與分析,得出了端到端信噪比γo的PDF 和CDF 的閉式表達(dá)式,推導(dǎo)出中斷概率、平均誤碼率和信道容量的閉式表達(dá)式,并通過蒙特卡羅仿真驗證了推導(dǎo)結(jié)果的準(zhǔn)確性。 此外,本文還分析了指向誤差、脈沖噪聲和大氣湍流強度對系統(tǒng)性能的影響,結(jié)果表明系統(tǒng)中斷概率隨著指向誤差參數(shù)的增加而減小;PLC 鏈路脈沖噪聲越小,誤碼率越低,系統(tǒng)整體性能越好;系統(tǒng)容量隨著湍流強度的降低而增加,同時當(dāng)系統(tǒng)分別工作于AF 協(xié)議和DF 協(xié)議時,前者的系統(tǒng)性能更優(yōu)。本文研究結(jié)果將為PLC-FSO 混合異構(gòu)通信系統(tǒng)的應(yīng)用提供必要的理論支撐。 附錄1 端到端信噪比 γ o的PDF 根據(jù)文獻(xiàn)[32]推導(dǎo)系統(tǒng)端到端的整體信噪比γo的PDF表達(dá)式。 由于0 把t=x-γ代入式(26),并運用式(8)和式(12),轉(zhuǎn)化為 其中,I1和I2的表達(dá)式為 通過積分變換[33],并把表達(dá)式[30]展開,可得表達(dá)式(14)。4 數(shù)值仿真分析
5 結(jié)束語