Design and Evaluation of Transceivers for Multicarrier Communications over the Power Line Network

Abstract

La comunicación a través de la red eléctrica (PLC) es una tecnología que combina la transmisión de energía y datos. Si bien el concepto de emplear el cableado eléctrico como canal de comunicación data de comienzos del sigo XX, en los últimos años el interés de emplear la tecnología PLC para aplicaciones dentro y fuera del hogar ha crecido notablemente. Esto se debe a que se espera que PLC juegue un papel importante en el desarrollo de los conceptos “ciudad inteligente” y “energía inteligente”, así́ como en la implementación de redes de alta velocidad dentro del hogar (redes HAN) para el desarrollo del Internet de las cosas (IoT). No obstante, el uso de PLC no está restringido sólo a aplicaciones en el primer/ultimo tramo del par de abonado, sino que hoy en día también es una solución atractiva para aplicaciones en plataformas de transporte (vehículos) debido a que simplifica el diseño, disminuye el coste de desarrollo y reduce peso. Sin embargo, la red eléctrica no fue diseñada con la finalidad de enviar información a través de ella, por lo que el canal PLC presenta muchos y severos desvanecimientos en frecuencia. A esto hay que añadirle que el ruido presente en el canal es en realidad la combinación de diferentes tipos de ruido. Por todo ello, son necesarios sistemas que proporcionen un muy buen rendimiento. En este sentido, el estándar : “IEEE Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications” (IEEE 1901) especifica dos esquemas de modulación distintos. Por un lado, una multiplexacioón por división de frecuencia ortogonales enventanada (windowed OFDM), la cual es una modulación multiportadora basada en la transformada discreta de Fourier. Por el otro, una modulación multiportadora basada en la transformada extendida solapada (ELT-MCM), denominada por el estándar como wavelet OFDM, que se trata de un banco de filtros coseno modulado (CMFB). El objetivo principal de esta tesis es desarrollar un transceptor eficiente ELT-MCM, siguiendo las especificaciones del estándar IEEE 1901, demostrando su rendimiento y su viabilidad para comunicaciones PLC de banda ancha mediante la comparación con el esquema windowed OFDM. En primer lugar, se presenta una revisión de los aspectos más importantes del esquema de modulación para obtener el transmisor ELT-MCM. De esta forma, una de las novedosas contribuciones de esta tesis es la implementación eficiente del transmisor recomendado y la propuesta de un receptor viable y compatible, haciendo especial énfasis en que la forma de onda propuesta por el estándar no es la misma que aparece en la mayoría de la bibliografía disponible. Además, se estudian las características de los filtros prototipos recomendados, tales como la relación de compromiso entre la atenuación de la banda eliminada y el ancho de la banda de transición, y la propiedad de reconstrucción perfecta (PR). Así́ mismo, es posible que los filtros prototipos propuestos no consigan el mejor rendimiento, por lo que otras formas de onda son estudiadas y comparadas. El segundo tema principal abordado en esta tesis está relacionado con la velocidad de transmisión. Puesto que los sistemas de bancos de filtros multiportadora (FBMC) no emplean ningún tipo de redundancia (prefijo cíclico o rellenado de ceros) éstos pueden alcanzar un mejor rendimiento en términos de velocidad de transmisión. Sin embargo, el estudio del throughput en los sistemas wavelet OFDM sigue siendo un tema abierto, por lo tanto, en esta tesis se derivan las expresiones teóricas para obtener la capacidad y throughput de este tipo de sistemas. Las ecuaciones aquí́ presentadas tienen en cuenta que el ruido PLC no puede ser modelado por ruido blanco Gaussiano (AWGN) y asumen que se ha empleado la técnica de igualación Adaptive Sine-modulated/Cosine-modulated filter bank Equalizer for Transmultiplexer (ASCET). Una vez que el sistema en banda base ELT-MCM es implementado, con el objetivo de extender su aplicación y alcanzar una mayor tasa de transmisión, se diseña una versión paso banda. Del mismo modo que para el caso banda base, se propone una implementación eficiente y se estudia el coste computacional asociado al algoritmo rápido de implementación. Así́ mismo, las expresiones teóricas necesarias para calcular la velocidad de transmisión de este nuevo sistema son derivadas. Finalmente, el rendimiento del sistema ELT-MCM, en términos de tasa de error de bit (BER) y de velocidad de transmisión, ha sido detalladamente estudiado y comparado con el rendimiento obtenido por el sistema OFDM enventanado. Para ello, se han empleado diferentes escenarios PLC, incluyendo escenarios dentro del hogar (de baja tensión) y plataformas de transporte (en concreto automóviles y aeronaves). Por ello, en esta tesis se ha realizado un resumen de los diferentes modeles de canal y ruido PLC.