Τεχνικές με πολλά φέροντα σε περιβάλλον με διαλείψεις

Abstract

During the past years power line communications, PLC, have gained a lot of scientific interest. This PhD thesis deals with various techniques aiming to enhance the system’s performance from the physical layer point of view. Generally, it focuses on different coding and modulation techniques. Primarily, the low density parity check codes (LDPC) are examined on the power line channel, since they are used widely in several communication systems. Two categories of LDPC are examined, the random constructed and the structured LDPC codes. The system’s performance is obtained with various decoding algorithms, while it is compared to other coding schemes, which proves that LDPC codes can be more efficient than popular coding techniques. A hybrid decoding algorithm is proposed for the first time for the power line communications channel. Furthermore, the structured LDPC codes are proposed as the outer coding method in combination to Reed - Solomon codes. The proposed scheme performs better than the single coding techniques. In addition, a variation is proposed concerning the encoding procedure of the structured LDPC codes that enhances their performance. Later on, array codes and in particular Generalized Array Codes (GAC) and Row and Column Codes (RAC) are studied as the candidate coding scheme for the power line communications channel in combination to various modulation schemes. An alteration is proposed concerning the encoding procedure of GAC codes, which in some cases proves to perform better than the original method of encoding. An effort to model the impulsive noise present at a power line takes place along with a hybrid coding technique, combining RAC and GAC codes, which proves to have a better performance together with improved bandwidth exploitation. The results obtained with the proposed impulsive noise model are compared to the ones attained with one popular noise model, like Middleton’s noise model. Finally, a more complete noise model is proposed, that describes all the noise components present on a power line channel. The model is simple to apply and it attributes in the most accurate way the PLC noise to a simulation system, while it is compared to Middleton’s noise model.

Τα τελευταία χρόνια οι τηλεπικοινωνίες μέσω του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας (Power Line Communications, PLC) έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της παγκόσμιας επιστημονικής κοινότητας. Στη διατριβή αυτή διαπραγματεύονται τρόποι βελτίωσης της απόδοσης των τηλεπικοινωνιών μέσω του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας με διάφορες τεχνικές κωδικοποίησης και διαμόρφωσης. Αρχικά μελετώνται οι κώδικες ελέγχου ισοτιμίας χαμηλής πυκνότητας (Low Density Parity Check codes, LDPC), οι οποίοι εξετάζονται ευρέως στα ποικίλα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Εφαρμόζονται δυο κατηγορίες των κωδίκων αυτών, οι τυχαία παραγόμενοι και οι δομημένοι LDPC κώδικες. Εξετάζεται η απόδοση του συστήματος μέσω των διάφορων αλγορίθμων αποκωδικοποίησης και συγκρίνεται με την απόδοση που επιφέρουν άλλες μέθοδοι κωδικοποίησης αποδεικνύοντας ότι οι LDPC κώδικες είναι μια αποδοτική τεχνική. Προτείνεται ο υβριδικός αλγόριθμος αποκωδικοποίησης για πρώτη φορά στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας όταν αυτό χρησιμοποιείται ως τηλεπικοινωνιακό κανάλι. Στη συνέχεια προτείνονται οι δομημένοι LDPC κώδικες ως το εξωτερικό σχήμα κωδικοποίησης σε συνδυασμό με άλλες δημοφιλείς μεθόδους κωδικοποίησης, όπως οι Reed - Solomon κώδικες. Το προτεινόμενο σχήμα παρουσιάζει καλύτερα αποτελέσματα από ότι οι μεμονωμένες μέθοδοι κωδικοποίησης. Προτείνεται επίσης μια παραλλαγή στον τρόπο κωδικοποίησης των δομημένων κωδίκων που βελτιστοποιεί την απόδοσή τους. Μελετώνται ακόμη οι κώδικες σειράς (Array Codes) και ειδικότερα οι γενικευμένοι κώδικες σειράς και οι κώδικες σειράς σειρών και στηλών με διάφορα σχήματα διαμόρφωσης. Προτείνεται μια παραλλαγή στον τρόπο κωδικοποίησης των γενικευμένων κωδίκων σειράς που σε συγκεκριμένες περιπτώσεις εμφανίζει καλύτερη απόδοση από το αρχικό σχήμα κωδικοποίησης. Γίνεται επίσης μια προσπάθεια μοντελοποίησης του κρουστικού θορύβου που χαρακτηρίζει το κανάλι ενώ προτείνεται μια υβριδική τεχνική κωδικοποίησης με τους κώδικες σειράς προσαρμοσμένη στο προτεινόμενο μοντέλο θορύβου η οποία εμφανίζει βελτιωμένη απόδοση σε συνδυασμό με καλύτερη εκμετάλλευση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Τα αποτελέσματα που λαμβάνονται με το νέο μοντέλο του θορύβου συγκρίνονται με αυτά από το διαδεδομένο μοντέλο θορύβου του Middleton. Τέλος, προτείνεται ένα πιο ολοκληρωμένο μοντέλο θορύβου, που περιγράφει όλες τις συνιστώσες θορύβου στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται ως τηλεπικοινωνιακό κανάλι. Το μοντέλο είναι απλό στην υλοποίησή του και αποδίδει με τον πλέον ρεαλιστικό τρόπο το θόρυβο σε ένα σύστημα προσομοίωσης, ενώ συγκρίνεται με το μοντέλο θορύβου του Middleton.