双跳解码转发PLC-THz通信系统性能分析：面向6G与智能电网的混合链路可靠性研究

《IEEE Access》：Performance Analysis of Dual-Hop Decode-and-Forward PLC-THz Communication Systems

本文针对智能电网与6G网络对混合通信系统的需求，研究了PLC（电力线通信）与THz（太赫兹）无线链路的双跳解码转发中继系统。作者建立了PLC链路的对数正态阴影衰落与泊松-高斯脉冲噪声模型，以及THz链路的分子吸收损耗、α-μ小尺度衰落与指向误差模型，推导了中断概率（OP）与平均误码率（ABER）的闭合表达式及高信噪比渐近公式。蒙特卡洛仿真验证了理论分析，表明 milder PLC shadowing、less severe THz fading 和 smaller pointing jitter 可显著提升系统可靠性，为未来混合通信系统设计提供了理论依据。

　　

随着智能电网和第六代（6G）无线网络的快速发展，结合有线与无线链路的混合通信系统引起了广泛关注。电力线通信（PLC）和太赫兹（THz）无线通信作为两种互补技术，展现出巨大潜力。PLC利用现有电力电缆进行数据传输，成本低、覆盖广，无需新建基础设施，已广泛应用于智能电网。THz无线则因其超宽可用带宽和支持极高数据速率的能力，成为5G/6G网络和物联网（IoT）的关键使能技术，可充当“无线光纤”桥接高速有线骨干网与无线设备。将PLC与THz链路结合成双跳架构极具吸引力：PLC段可提供可靠回程覆盖（如跨越智能电网或建筑物内部），而THz链路可向终端用户提供超宽带接入。此外，这种异构PLC-THz网络固有地避免了跳间电磁干扰，因为PLC和THz信道在不同介质和频段工作。然而，每种通信介质都面临显著传播挑战。PLC信道受频率选择性衰减、距离相关路径损耗以及电力线上各种干扰源的影响，特别是电网中的阻抗失配和非高斯脉冲噪声导致PLC系统性能严重下降。THz无线链路同样存在严重损伤：高频THz信号经历极大的自由空间路径损耗和分子吸收，极大限制了有效通信距离。此外，THz收发机使用高度定向波束，易受失准影响，即使小的指向误差也会显著降低接收信号功率。准确建模THz信道对于性能分析至关重要，例如，α-μ衰落分布已被用于表示THz小尺度衰落，因为它是一个通用模型（包含瑞利、Nakagami-m、韦布尔等），符合实验THz信道测量结果。总体而言，PLC-THz双跳系统必须应对PLC严重噪声和衰落与THz高路径损耗和信道脆弱性的复合效应。

为应对这些挑战并发挥两种链路的优势，采用中间节点的双跳中继是一种有前景的方法。特别是在PLC和THz段交界处采用解码转发（DF）中继协议，可提高可靠性并扩展覆盖范围。通过在继电器完全解码和重新编码消息，DF策略避免了PLC噪声和干扰的放大，使得端到端性能比单一直连链路更稳健。文献中各种混合系统已采用DF中继结合异构链路，例如，PLC与可见光通信（VLC）通过DF中继集成，证明PLC回程可高效支持高速无线VLC接入网络。类似地，先前关于混合射频（RF）/THz网络的研究表明，插入中继可克服THz链路距离限制并维持高吞吐量。这些研究突显了PLC-THz中继系统提供可靠、无干扰连接的潜力：PLC跳可利用现有电线解决“最后一英里”覆盖问题，而THz跳向终端用户提供类光纤数据速率。

尽管有这些进展，关于直接结合PLC和THz链路的双跳系统的文献存在明显空白。大多数先前关于混合PLC网络的研究集中于PLC与另一PLC链路或较低频无线链路（RF或VLC）配对。类似地，迄今的THz中继研究考虑了THz-RF或THz-THz链路组合以扩展THz覆盖范围。据作者所知，基于DF的PLC-THz中继系统尚未被分析，特别是在反映实际条件的实用信道模型下。

受此空白驱动，本文研究了集成对数正态衰落PLC链路和α-μ衰落THz无线链路的解码转发（DF）中继系统性能。主要贡献包括：提出新颖的PLC-THz双跳DF中继系统分析框架，其中PLC信道受对数正态衰落，THz信道由带失准误差的α-μ衰落分布建模；推导了系统中断概率（OP）和平均误码率（ABER）的闭合表达式，并提供渐近表达式以进一步洞察；通过蒙特卡洛仿真在广泛PLC和THz信道条件下验证理论分析，展示了PLC阴影参数、THz衰落参数和指向误差严重性对系统可靠性和误差性能的影响，结果显示出仿真与理论间的极好一致性。

为开展研究，作者主要应用了以下关键技术方法：首先，建立了双跳解码转发中继系统模型，其中PLC链路采用对数正态分布描述阴影衰落，噪声建模为背景高斯噪声（BGN）与脉冲噪声（IMN）的泊松-高斯混合，并利用Gamma随机变量混合近似其信噪比（SNR）分布；THz链路则综合考虑了分子吸收损耗（其系数κ_α(f)依赖温度、湿度、气压等环境参数）、α-μ小尺度衰落以及指向误差（其参数ε与等效波束宽度和抖动标准差相关），并推导了该复合信道SNR的概率密度函数（PDF）和累积分布函数（CDF）的Meijer G函数表达式。其次，基于上述信道模型，利用端到端SNR为两跳SNR最小值的特性，结合Meijer G函数和Fox's H函数数学工具，严格推导了系统中断概率和平均误码率（针对DBPSK调制）的精确闭合解析表达式。此外，通过高信噪比渐近分析，得到了系统分集阶数的紧凑表达式。最后，通过大规模蒙特卡洛仿真（10⁶次试验）验证了所有理论结果的准确性，并系统分析了关键参数（如THz衰落参数α、μ，指向误差σ_s，PLC阴影参数m₁、m₂）对性能的影响趋势。

系统与信道模型

本研究构建了一个由源节点（S）、中继节点（R）和目的节点（D）组成的双跳解码转发中继通信系统。第一跳为PLC链路，第二跳为THz无线链路。中继节点对PLC链路接收信号进行解码后，通过THz链路转发。

PLC链路模型

PLC链路信道衰落系数h₁服从对数正态分布，其概率密度函数（PDF）由均值和方差参数决定。噪声n₁建模为背景高斯噪声（BGN）和脉冲噪声（IMN）的混合，其中IMN的出现服从泊松过程。据此，PLC链路的瞬时信噪比（SNR）γ₁被建模为一个混合随机变量，其PDF可近似为两个Gamma分布的混合，从而便于后续性能分析。基于此，推导出了PLC链路SNR的累积分布函数（CDF）的Meijer G函数表达式。

THz链路模型

THz链路信道系数h₂由路径增益h_l和包含α-μ衰落与指向误差的h_fe相乘构成。路径增益考虑了天线增益、自由空间路径损耗以及频率选择性的分子吸收损耗。α-μ分布用于描述小尺度衰落，指向误差则建模了波束失准的影响。结合这些因素，推导出了THz链路瞬时SNR γ₂的PDF和CDF的精确闭合形式，同样表示为Meijer G函数。

性能分析

基于上述模型，分析了DF协议下混合PLC-THz系统的端到端性能。端到端SNR定义为两跳SNR的最小值，其CDF可由两跳SNR的CDF表示。

端到端SNR under DF Relaying

在DF协议下，端到端SNR为γ_DF= min(γ₁, γ₂)。假设PLC和THz链路统计独立，则γ_DF的CDF可表示为F_γDF(γ) = F_γ1(γ) + F_γ2(γ) - F_γ1(γ)F_γ2(γ)。

Outage Probability

中断概率（OP）定义为端到端SNR低于预定阈值γ_th的概率，即P_out^DF= F_γDF(γ_th)。将PLC和THz链路的CDF表达式代入，即可得到系统OP的闭合形式。高信噪比下的渐近分析表明，系统分集阶数G_d^DF= min(m₁, m₂, ε/2, αμ/2)，说明端到端可靠性共同受限于PLC跳的衰落严重程度（通过m₁, m₂）和THz跳的小尺度衰落与指向误差（通过α, μ, ε）。

Average Bit Error Rate

平均误码率（ABER）分析针对DBPSK调制（p=1, q=1）进行。通过将各跳SNR的CDF代入统一的ABER积分公式，并利用Meijer G函数和Fox's H函数的性质，分别推导出了PLC跳和THz跳ABER的闭合表达式。在DF协议下，假设两跳错误统计独立，端到端ABER可表示为P?_e^DF= P?_e1+ P?_e2- 2P?_e1P?_e2。高信噪比渐近分析显示，端到端ABER表现出与OP相同的分集阶数。

仿真与数值结果

通过数值仿真验证了理论分析。结果表明，对于不同的THz α-μ衰落参数（如(α,μ)为(1.6,1)、(1.6,1.8)、(2.5,1.8)），理论OP和ABER曲线与蒙特卡洛仿真结果高度吻合。较大的α和μ值（对应 milder fading）带来更低的OP和ABER以及更陡的斜率，表明THz链路分集增益增加。同时，指向误差抖动标准差σ_s的增大（如从0.5增至1.5）会导致OP和ABER性能显著下降，曲线在高信噪比区域变得平坦，揭示了指向误差对系统性能的关键限制作用。此外，改变PLC阴影参数（m₁, m₂）也证实了 milder PLC shadowing（较大m值）可改善系统性能。所有渐近曲线均能准确捕捉高信噪比下的性能斜率。

结论与讨论

本研究成功分析了一个集成对数正态衰落PLC跳和受分子吸收、α-μ衰落及指向误差影响的THz跳的双跳DF中继系统。通过建立精确的信道模型并推导出OP和ABER的闭合表达式及高信噪比渐近公式，为系统性能评估提供了有力工具。研究结论强调，系统性能严重依赖于最弱链路的状况。PLC链路的阴影衰落严重程度（由m值体现）和THz链路的衰落特性（α, μ）及波束对准精度（ε或σ_s）共同决定了端到端的分集阶数。数值结果明确显示，较温和的PLC阴影、较轻微的THz衰落和较小的指向抖动能显著提升中断和误码性能，而严重的PLC阴影或波束失准则可能主导系统行为，即使在高信噪比下也会产生明显的中断和误码平台。这些发现为未来智能电网和5G/6G通信场景中混合PLC-THz DF中继系统的设计和优化提供了重要的理论指导和实用见解，突出了在系统部署中优化THz链路波束对准和选择具有良好信道条件的PLC段的重要性。