Advances in hybrid power line/wireless systems
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | eng |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFJF |
Texto Completo: | https://doi.org/10.34019/ufjf/te/2022/00062 https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/14540 |
Resumo: | Nesta tese de doutorado, explora-se o sistema híbrido rede elétrica/ar (do inglês, hybrid power line/wireless system - HPWS), que consiste no uso da rede elétrica e do meio de comunicação sem fio em paralelo, para melhorar o desempenho da comunicação de dados ponto-a-ponto. Neste contexto, os tópicos estudados são: alocação de potência e permutação de subportadoras em esquemas de multiplexação ortogonal por divisão em frequência, bem como a aplicação de esquemas de multiplexação ortogonal por divisão em chirp (do inglês, orthogonal chirp-division multiplexing - OCDM) ao HPWS. Ao longo do trabalho, considera-se a transmissão simultânea, através da rede elétrica e do ar, de símbolos iguais de forma que a combinação ótima possa ser empregada no receptor. Com relação à alocação de potência, a taxa de dados alcançável e a probabilidade de erro de bit média são otimizadas separadamente sob duas e distintas restrições de potência de transmissão. Independente da restrição de potência, é demonstrado que apenas um meio de comunicação deve ser usado no mesmo índice de subcanal quando objetiva-se maximizar a taxa de dados alcançável ou minimizar a probabilidade de erro de bit média. Consequentemente, soluções conhecidas são adaptadas a algoritmos de alocação de potência que demandam baixo custo computacional. Análises numéricas validam os algoritmos propostos, comprovando sua otimalidade e superioridade em relação a outros algoritmos da literatura. No que diz respeito à permutação de subportadoras, sua otimalidade é analisada tanto para maximizar a taxa de dados alcançável como para minimizar a probabilidade de erro de bit média, levando-se em consideração as alocações de potência uniforme e ótima. Para todos os casos, é demonstrado que as subportadoras utilizadas em um meio devem ser ordenadas de forma crescente com relação às relações sinal-ruído normalizadas e então combinadas com as subportadoras utilizadas no outro meio ordenadas, por sua vez, de forma decrescente com relação às relações sinal-ruído normalizadas. Resultados numéricos mostram que ganhos mais elevados desta permutação de subportadoras são obtidos à medida que a seletividade em frequência aumenta e que a permutação de subportadoras pode ser extremamente útil para aumentar a taxa de dados alcançável ou diminuir a probabilidade de erro de bit média. Acerca da aplicação de esquemas OCDM ao HPWS, processos aleatórios estacionários de sentido amplo são estudados de forma que a técnica de combinação de máxima relação sinal-ruído possa ser derivada no domínio discreto de Fresnel. Além disso, a alocação ótima de potência é analisada. Em seguida, análises numéricas mostram que o HPWS baseado em OCDM pode ser a escolha mais adequada para minimizar a probabilidade de erro de bit quando o transmissor tem pouco conhecimento (um bit de informação) ou nenhum do estado do canal. Por fim, um símbolo piloto que habilita tanto a estimação do canal como a sincronização é derivado para esquemas OCDM operando na rede elétrica e no ar. Resultados numéricos baseados em medições validam o símbolo proposto. |
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Neste contexto, os tópicos estudados são: alocação de potência e permutação de subportadoras em esquemas de multiplexação ortogonal por divisão em frequência, bem como a aplicação de esquemas de multiplexação ortogonal por divisão em chirp (do inglês, orthogonal chirp-division multiplexing - OCDM) ao HPWS. Ao longo do trabalho, considera-se a transmissão simultânea, através da rede elétrica e do ar, de símbolos iguais de forma que a combinação ótima possa ser empregada no receptor. Com relação à alocação de potência, a taxa de dados alcançável e a probabilidade de erro de bit média são otimizadas separadamente sob duas e distintas restrições de potência de transmissão. Independente da restrição de potência, é demonstrado que apenas um meio de comunicação deve ser usado no mesmo índice de subcanal quando objetiva-se maximizar a taxa de dados alcançável ou minimizar a probabilidade de erro de bit média. 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Resultados numéricos baseados em medições validam o símbolo proposto.This dissertation investigates the hybrid power line/wireless system (HPWS), which consist of using power line and wireless media in parallel, to improve point-to-point data communication performance. In this context, the studied topics are: power allocation and subcarrier permutation in orthogonal frequency-division multiplexing schemes, as well as the application of orthogonal chirp-division multiplexing (OCDM) schemes into the HPWS. Throughout the dissertation, the simultaneous transmission of the same symbols through power line and wireless channels is considered so that maximal-ratio combining can be employed at the receiver. Regarding power allocation, the achievable data rate and average bit error probability are individually optimized under two and distinct transmission power constraints. Regardless of the power constraint, it is demonstrated that at most one medium must be used in the same subchannel index when the objective is to maximize the achievable data rate or to minimize the average bit error probability. Consequently, well-known solutions are adapted to provide power allocation algorithms that demand low computational costs. Numerical analyses validate the proposed algorithms, proving their optimality and superiority in relation to other algorithms of the literature. With respect to subcarrier permutation, its optimality is analyzed to either maximize the achievable data rate or minimize the average bit error probability, assuming the optimal or uniform power allocations. For all cases, it is shown that the subcarriers used in one medium must be sorted in ascending order of normalized signal-to-noise ratios (nSNRs) and then combined with the subcarriers used in the other medium sorted, in its turn, in descending order of nSNRs. Numerical results show that higher gains of this subcarrier permutation are obtained as frequency selectivity increases and that subcarrier permutation can be extremely useful for increasing the achievable data rate or decreasing the average bit error probability. Regarding the application of OCDM schemes into the HPWS, wide-sense stationary random processes in the discrete-Fresnel domain are studied so that the maximal-ratio combining technique can be derived. In addition, the optimal power allocation is analyzed. Numerical analyses then show that the OCDM-based HPWS may be a suitable choice if the aim is to minimize the bit error probability and the transmitter has partial (one bit of information) or no knowledge of the channel state. Finally, a pilot symbol that enables joint channel estimation and synchronization is derived for power line and wireless OCDM schemes. Numerical results based on measurements validate the proposed symbolengUniversidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)Programa de Pós-graduação em Engenharia ElétricaUFJFBrasilFaculdade de EngenhariaAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAAlocação de potênciaSistemas de comunicação híbridosMultiplexação ortogonal por divisão em chirpMultiplexação ortogonal por divisão em frequênciaPermutação de subportadorasHybrid communication systemsPower allocationOrthogonal chirp-division multiplexingOrthogonal frequency-division multiplexingSubcarrier permutationAdvances in hybrid power line/wireless systemsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFJFinstname:Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)instacron:UFJFLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/14540/2/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD52CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/14540/1/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD51ORIGINALmateusdelimafilomeno.pdfmateusdelimafilomeno.pdfapplication/pdf150740730https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/14540/3/mateusdelimafilomeno.pdfdac7fd849d2e5f8ea4879a7f6f599d9eMD53ufjf/145402023-11-22 10:30:57.994oai:hermes.cpd.ufjf.br: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Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufjf.br/oai/requestopendoar:2023-11-22T12:30:57Repositório Institucional da UFJF - Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)false |
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Nesta tese de doutorado, explora-se o sistema híbrido rede elétrica/ar (do inglês, hybrid power line/wireless system - HPWS), que consiste no uso da rede elétrica e do meio de comunicação sem fio em paralelo, para melhorar o desempenho da comunicação de dados ponto-a-ponto. Neste contexto, os tópicos estudados são: alocação de potência e permutação de subportadoras em esquemas de multiplexação ortogonal por divisão em frequência, bem como a aplicação de esquemas de multiplexação ortogonal por divisão em chirp (do inglês, orthogonal chirp-division multiplexing - OCDM) ao HPWS. Ao longo do trabalho, considera-se a transmissão simultânea, através da rede elétrica e do ar, de símbolos iguais de forma que a combinação ótima possa ser empregada no receptor. Com relação à alocação de potência, a taxa de dados alcançável e a probabilidade de erro de bit média são otimizadas separadamente sob duas e distintas restrições de potência de transmissão. Independente da restrição de potência, é demonstrado que apenas um meio de comunicação deve ser usado no mesmo índice de subcanal quando objetiva-se maximizar a taxa de dados alcançável ou minimizar a probabilidade de erro de bit média. Consequentemente, soluções conhecidas são adaptadas a algoritmos de alocação de potência que demandam baixo custo computacional. Análises numéricas validam os algoritmos propostos, comprovando sua otimalidade e superioridade em relação a outros algoritmos da literatura. No que diz respeito à permutação de subportadoras, sua otimalidade é analisada tanto para maximizar a taxa de dados alcançável como para minimizar a probabilidade de erro de bit média, levando-se em consideração as alocações de potência uniforme e ótima. Para todos os casos, é demonstrado que as subportadoras utilizadas em um meio devem ser ordenadas de forma crescente com relação às relações sinal-ruído normalizadas e então combinadas com as subportadoras utilizadas no outro meio ordenadas, por sua vez, de forma decrescente com relação às relações sinal-ruído normalizadas. Resultados numéricos mostram que ganhos mais elevados desta permutação de subportadoras são obtidos à medida que a seletividade em frequência aumenta e que a permutação de subportadoras pode ser extremamente útil para aumentar a taxa de dados alcançável ou diminuir a probabilidade de erro de bit média. Acerca da aplicação de esquemas OCDM ao HPWS, processos aleatórios estacionários de sentido amplo são estudados de forma que a técnica de combinação de máxima relação sinal-ruído possa ser derivada no domínio discreto de Fresnel. Além disso, a alocação ótima de potência é analisada. Em seguida, análises numéricas mostram que o HPWS baseado em OCDM pode ser a escolha mais adequada para minimizar a probabilidade de erro de bit quando o transmissor tem pouco conhecimento (um bit de informação) ou nenhum do estado do canal. Por fim, um símbolo piloto que habilita tanto a estimação do canal como a sincronização é derivado para esquemas OCDM operando na rede elétrica e no ar. Resultados numéricos baseados em medições validam o símbolo proposto. |
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