Various resource allocation and optimization strategies for high bit rate communications on power lines
Résumé
In recent years, the thriving growth of indoor and outdoor communication networks and the increase in number of data heavy applications are driving an ever increasing need for high speed data transmission. Among many competing technologies, power line communication (PLC) has its unique place due to already available power supply grids in both indoor and outdoor environments. The primary motivation of this thesis is to increase the bit rate and the robustness of multicarrier PLC systems so that it can be efficiently used in home networking and automation. The theme of this research work is to explore different modulation and coding approaches in conjunction with various resource allocation and optimization schemes to bring PLC capabilities at par with other high bit rate alternatives and to cope efficiently with inherent disadvantages of power supply grid. A number of resource allocation and optimization strategies are investigated to improve the overall performance of PLC systems. The performance of a communication system is generally measured in terms of bit rate, noise margin and bit error rate (BER) of the system. The bit rate maximization scheme is studied for both orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems and linear precoded OFDM (LP-OFDM) systems under power spectral density constraint. Two different error rate constraints have been applied to the bit rate maximization problem. The first constraint is the peak BER constraint where all subcarrier or precoding sequences must respect the target BER. With the second constraint, known as mean BER constraint, different subcarriers or precoding sequences are allowed to be affected by different values of BER and a mean BER constraint is imposed on an entire OFDM or LP-OFDM symbol. Discrete bit and power loading algorithms are also proposed taking into account the channel coding gains in the resource allocation process. Furthermore, a new robustness maximization scheme, known as mean BER minimization, is introduced that minimizes the mean BER of multicarrier systems for a given bit rate and an imposed power spectral density mask. For optimal allocation of bit and power to different subcarriers or precoding sequences in a multicarrier system, it is generally supposed that perfect channel state information (CSI) is available at the transmitting side (i.e. estimation noise is absent). In reality, the CSI available at the transmitter is imperfect. We also suggested resource allocation schemes for OFDM and LP-OFDM systems taking into account the effects of noisy estimations in an efficient manner. A number of communication chains are also developed for OFDM and LP-OFDM.
Ces dernières années, le développement des réseaux de communication indoor et outdoor et l'augmentation du nombre d'applications conduisent à un besoin toujours croissant de transmission de données à haut débit. Parmi les nombreuses technologies concurrentes, les communications par courant porteur en ligne (CPL) ont leur place en raison des infrastructures déjà disponibles. La motivation principale de cette thèse est d'augmenter le débit et la robustesse des systèmes CPL à porteuses multiples afin qu'ils puissent être utilisés efficacement dans les réseaux domestiques et pour la domotique. Le thème de ce travail de recherche est d'explorer différentes approches de modulation et de codage de canal en liaison avec plusieurs schémas d'allocation et d'optimisation des ressources. L'objectif est ici d'améliorer les capacités des CPL et d'être concurrent face aux autres solutions de communication à haut débit et de faire face efficacement aux inconvénients inhérents au réseau d'alimentation. Un certain nombre de stratégies d'allocation des ressources et d'optimisation sont étudiées pour améliorer les performances globales des systèmes CPL. La performance d'un système de communication est généralement mesurée en termes de débit, de marge de bruit et de taux d'erreur binaire (TEB) de la liaison. La maximisation de débit (RM) est étudiée pour les systèmes OFDM (en anglais orthogonal frequency division multiplexing) et LP-OFDM (en anglais linear precoded OFDM) sous la contrainte de densité spectrale de puissance (DSP). Deux contraintes différentes de taux d'erreur ont été appliquées au problème RM. La première contrainte est la contrainte de TEB crête où toutes les sous-porteuses ou séquences de précodage doivent respecter le TEB cible. Avec la deuxième contrainte, contrainte de TEB moyen, différentes sous-porteuses ou séquences de précodage sont affectées par des valeurs différentes de TEB et une contrainte de TEB moyen est imposée sur le symbole complet OFDM ou LP-OFDM. Les algorithmes d'allocation sont également proposés en prenant en compte les gains de codage de canal dans le processus d'allocation des ressources. En outre, un nouveau schéma de minimisation de TEB moyen est introduit qui minimise le TEB moyen de systèmes pour un débit donné et un masque imposé de DSP. Pour l'allocation des ressources dans un système à porteuses multiples, il est généralement supposé que l'état du canal (CSI) est parfaitement connu par l'émetteur. En réalité, les informations de CSI disponibles au point d'émission sont imparfaites. Aussi, nous avons également étudié des schémas d'allocation des ressources dans le cas de systèmes OFDM et LP-OFDM en prenant compte, et de manière efficace, les impacts des estimations bruitées. Plusieurs chaînes de communication sont aussi développées pour les systèmes OFDM et LP-OFDM.
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