Long polyphase sequences for adaptive mmse detector in asynchronous cdma plc network with impulsive noise

Résumé

Esta tesis analiza el diseño e implementación de un dispositivo PLC Smart Grid para un entorno de una red de area de hogar, donde la robustez y fiabilidad del enlace de comunicacion son un requisito. La red powerline es un medio de transmision compartido usado por todos los nodos de forma independiente. Por lo tanto, se deben emplear tecnicas de acceso multiple para dividir las senales de transmision, las cuales deben ser ortogonales entre si. Ademas de esto, la complejidad computacional del sistema, coste y consumo energetico deben tenerse en cuenta durante la fase de diseno. De modo que es necesario implementar sistemas simples, de manera que todos los usuarios accedan asincronamente al medio de transmision sin la necesidad de ningun nodo central. Para entender las dificultades de las comunicaciones powerline, y diseñar sistemas de transmision robustos, se debe tener una buena comprension de las caracteristicas del canal de comunicaciones. En particular, el rango de la respuesta frecuencial y las propiedades del ruido del canal. En esta tesis se propone un modelo de simulacion del canal powerline que tiene en cuenta el ruido generado en la red asi como los perfiles de atenuacion frecuencial de una red desadaptada. El modelo propuesto esta basado en los resultados de una campana de medidas y las propuestas de otros trabajos. Un analisis del efecto del ruido impulsional sobre las señales transmitidas revela un umbral en el rendimiento del receptor, que depende de las propiedades estadisticas del ruido impulsional. Los sistemas multiportadora de alta velocidad han mostrado un excelente rendimiento en canales con efecto multitrayecto, mientras que las extensiones MC-CDMA y OFDMA han investigado los buenos resultados en entornos sincronos de comunicaciones powerline. Esta tesis examina el rendimiento de algunas de estas tecnicas de acceso multiple en entornos asincronos powerline, usando secuencias de ensanchamiento largas binarias y complejas, en lugar de las tradicionales ortogonales cortas debido a sus malas propiedades de correlacion cruzada en entornos asincronos. Con el objetivo centrado en dispositivos Smart Grid, esta tesis evita el uso de tecnicas complejas de deteccion multiusuario (MUD) en el receptor como por ejemplo canceladores de interferencia en paralelo, para centrarse en tecnicas mas simples de un unico usuario (SUD). Con respecto a sistemas CDMA monoportadora, se selecciona un receptor MMSE debido a la facilidad de adaptacion usando algoritmos adaptativos. El rendimiento de un receptor MMSE a nivel de simbolo en sistemas asincronos DS-CDMA con secuencias largas es analizado y comparado con sistemas MC-CDMA empleando intervalo de guarda en forma de Resumen ii prefijo ciclico. Los analisis de rendimiento se basan en el metodo SGA y son verificados con simulaciones Monte Carlo para un numero alto de usuarios simultaneos con ruido impulsional, y usando diferentes tipos de secuencias. De los resultados del analisis se muestra un superior rendimiento desechando la interferencia de acceso multiple de los sistemas CDMA monoportadora en entornos asincronos. Las simulaciones Monte Carlo tambien confirman el umbral de la tasa de error debido al ruido impulsional. Se propone una estructura adaptativa para la implementacion del receptor MMSE, que requiere diferentes parametros dificiles de estimar desde el receptor. El receptor adaptativo esta basado en un filtro cuyos coeficientes son actualizados por un algoritmo, teniendo la capacidad de suprimir la interferencia de ruido y acceso multiple haciendo uso de las propiedades cicloestacionarias de las senales transmitidas. Las simulaciones Monte Carlo muestran un buen rendimiento en sistemas DS-CDMA asincronos comparado con los sistemas multiportadora MC-CDMA y MC-DS-CDMA en las mismas condiciones, especialmente usando secuencias polifasicas. Se examinan los algoritmos NLMS y RLS, y se propone una version mejorada de este ultimo que resulta menos vulnerable al ruido impulsional. Para SNR altas la interferencia de acceso multiple degrada el rendimiento del receptor adaptativo usando secuencias binarias largas, mientras que el ruido impulsional prevalece sobre la interferencia en caso de usar secuencias polifasicas, las cuales obtienen el mejor rendimiento en combinacion de un receptor RLS mejorado. Para finalizar, se muestra como los algoritmos adaptativos muestran mejores capacidades de seguimiento y mejor rechazo de interferencia cerca-lejano con secuencias largas polifasicas. Abstract iii Abstract This thesis examines the design and implementation of a Smart Grid powerline communication device for a Home Area Network environment, where the communication link robustness and reliability are a requirement. Powerline network represents a shared transmission medium used by all nodes independently. Therefore, multiple–access techniques must be employed in order to divide transmitted signals, which have to be orthogonal to each other. In addition to this, system computational complexity, cost and power consumption need to be taken into account during design phase. So, simple systems need to be implemented, so that all the users access the medium asynchronously without the coordination of any central node. To understand the challenges of powerline communication, and to design robust data transmission systems, one must have a good understanding of the communication channel characteristics; in particular, the range of channel frequency response, and the characteristics of the channel noise. In this thesis, a powerline channel model is proposed, which takes into account the noise generated in the network as well as the frequency attenuation profile of the unmatched network. The proposed model is based on a channel measurement campaign results and proposals from other works. An analysis of the impulsive noise effect over transmitted signals reveals a performance bound at the receiver side, which depends on impulsive noise statistics. High data rate multi–carrier systems have shown successful performance under multipath channels, whereas its multiple–access extensions MC-CDMA and OFDMA have probed good results under synchronous powerline communications environments. The thesis examines the performance of some multiple–access techniques in asynchronous powerline communications environments using long binary and complex–valued polyphase spreading sequences, instead of short orthogonal codes due to their worse cross–correlation properties in asynchronous environments. This thesis avoids complex joint detection techniques at the receiver, such as multi– user detection and parallel interference cancellers, and it focuses on single–user detection techniques. Concerning single–carrier CDMA system, an MMSE receiver is selected due to its advantage of ease of adaptation, since standard adaptive algorithms can be employed. The performance of the single user detector symbol–level MMSE receiver in asynchronous long sequences DS-CDMA systems is analyzed and compared with that of MC-CDMA receiver employing an interval guard in the form of a CP. Performance analysis is based on the SGA method, and validated for a large number of simultaneous nodes with Monte Carlo simulations under powerline impulsive noise, and using different kind of long sequences. From analysis results, it is shown the superior performance rejecting MAI of single-carrier multiple–access technique in asynchronous environments. Monte Carlo simulations also confirm the BER bound due to impulsive noise An adaptive architecture is proposed for practical implementation of the MMSE receiver, which requires several parameters difficult to estimate from the receiver side. The adaptive receiver is based on a FSE whose tap weights are updated by an adaptive algorithm, having the capability of performing multiple-access interference and narrowband noise suppression taking advantage from cyclostationary properties of the transmitted signals, requiring the knowledge of fewer parameters compared to the MMSE and RAKE receiver. Monte Carlo simulations show the good performance of adaptive FSE receivers in asynchronous DS-CDMA systems compared to MC-CDMA and MC-DS-CDMA systems, especially using polyphase long sequences. Two well-known pilot-aided NLMS and RLS adaptive algorithms are examined. An enhanced version of the RLS algorithm less vulnerable to the impulsive noise is proposed. At high signal-to-noise ratio, the MAI degrades the performance of adaptive FSE receiver using binary long sequences, whereas the powerline impulsive noise prevails over the MAI in the case of using polyphase long sequences, which achieves the best performance in combination with the enhanced RLS receiver. The adaptive algorithms show better tracking capabilities and good near-far interference rejection with long polyphase sequences.