Riassunto analitico
Negli ultimi anni le comunicazioni ad onde convogliate sono diventate un’alternativa commercialmente molto interessante ai sistemi di comunicazione wireless per la realizzazione di sistemi di trasmissione dati all’interno dei singoli edifici. Questo successo ha incentivato da un lato la ricerca di tecniche di comunicazione a larga banda dedicate a canali di comunicazione ad onde convogliate a bassa tensione. Dall’altro lato tale successo ha stimolato l’indagine delle proprietà dei canali ad onde convogliate, che risultano profondamente diverse da quelle dei canali wireless sia in termini di risposta del canale che di caratteristiche del rumore. Questa tesi si concentra sulle comunicazioni ad onde convogliate, in particolare su: a) l'analisi e la modellazione del comportamento dei canali ad onde convogliate indoor, b ) lo sviluppo di algoritmi che sfruttano la conoscenza dello stato del canale per migliorare l'affidabilità delle comunicazioni ad onde convogliate in scenari indoor. Nella prima parte di questa tesi i canali di comunicazione ad onde convogliate sono analizzati e descritti come sistemi lineari e tempo invarianti. Un nuovo approccio per la modellazione statistica del canale è derivato ed applicato ai sistemi di comunicazione ad onde convogliate indoor nella banda 1-30MHz per reti elettriche a bassa tensione. Inoltre, particolare attenzione è dedicata alla valutazione dell'impatto della caratterizzazione degli elettrodomestici sulle prestazioni del modello statistico proposto. Infine, diverse classi di modelli statistici di rumore sono illustrati ed analizzati per valutare, tramite una serie di simulazioni al computer, il loro impatto sulle prestazioni di un sistema di comunicazione OFDM. La seconda parte della tesi analizza il comportamento tempo variante dei canali ad onde convogliate. Inizialmente viene descritto un channel sounder basato su una FPGA espressamente progettato per analizzare la risposta tempo variante dei canali ad onde convogliate. Un modello lineare periodicamente tempo variante per i canali ad onde convogliate è presentato e validato attraverso l’acquisizione di un insieme di misure sperimentali effettuate sfruttando il channel sounder. L’ ultima parte della tesi è dedicata allo sviluppo di algoritmi innovati per le comunicazione ad onde convogliate basati sulla conoscenza del modello di canale tempo variante. Più in particolare, nuovi algoritmi per la stima di canale, per l’equalizzazione e la stima adattativa sono illustrati. Infine, le prestazioni ottenibili con gli algoritmi proposti vengo confrontate con le prestazioni ottenibili con le soluzioni tecniche disponibili in letteratura.
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Abstract
In the last few years powerline technology has become a commercially attractive alternative to its wireless counterpart for in-home communications requiring high data rates. This success has fostered research on wideband communication techniques for low voltage powerlines and on the properties of real world powerline channels, since there are substantially different from wireless channels in terms of both system functions and noise characteristics. This thesis focuses on powerline data communications and, in particular, on: a)the analysis and modeling of the behavior of indoor powerline channels; b)the development of algorithms exploiting the knowledge of channel state to improve the reliability of powerline data communications in indoor scenarios.
In the first part of this thesis the behavior of indoor powerline channels is analyzed under the assumption that they can be modeled as time invariant systems. A novel approach to statistical channel modeling is derived and its application to low-voltage indoor power networks is analyzed in the band 1–30 MHz; in addition, the impact of the characterization power loads on the performance of the proposed statistical model is analyzed. Then, different classes of statistical models for the representation of powerline noise are illustrated and their impact on the error performance of an OFDM-based communication system is assessed via computer simulations.
In the second part of this thesis the time varying behavior of powerline channels is investigated. A channel sounding tool based on a FPGA and explicitly designed to analyze the time varying channel response of powerline channels is described. A linear periodically time varying model for indoor PLC channels is developed and its technical relevance is assessed exploiting a set of measurements acquired by means of the developed channel sounder.
Finally, in the last part of the thesis innovative communication algorithms exploiting the knowledge of a time-varying model for powerline channels are devised. More specifically, novel algorithms for data-aided channel estimation, zero forcing equalization and adaptive transmission are illustrated. The performance of these techniques is assessed and is compared with that offered by other technical solutions available in the technical literature and not accounting for the time-varying behavior of powerline channels.
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