Minimum Distance Based Precoder for MIMO-OFDM Systems Using a 16-QAM Modulation

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스마트 그리드를 위한 전력선 통신의 신뢰성 향상 기법 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2014. 8. 김성철.지구 온난화, 증가하는 에너지 요구 및 최대 부하에 따른 위험 문제 등을 해결하기 위해, 스마트 그리드 구축을 위한 많은 노력들이 진행 중이다. 스마트 그리드를 구현하기 위해서는 향상된 정보통신 기술이 필요하며, 이는 통신 네트워크를 통한 안정성 있는 데이터 전송 여부에 달려있다. 스마트 그리드를 위한 여러 통신기술 후보 중 전력선통신 (PLC), 특히 중전압 (MV) 전력선 상의 고속 PLC에 집중하였다. 전력선 통신 네트워크의 신뢰성은 전력선이 스마트 그리드의 통신 매체로 올바르게 동작하기 위한 선결 조건이다. 본 논문에서는 전력선 통신을 보다 신뢰성 있고 강건하게 만들기 위한 방안에 대하여 연구한다. 이를 위해 OFDM 기반의 전력선 통신 시스템에서 최대비합성 (MRC) 다이버시티 구조를 고안한다. 이러한 시스템에서 최대비합성 다이버시티 이득을 최대화하기 위한 최적의 부반송파 페어링 (subcarrier pairing) 기법을 제안한다. 모의실험을 통해 제안하는 기법의 성능 향상 여부를 검증한다. 다이버시티 이득은 주파수 효율의 감소를 유발한다. 앞의 제안된 부반송파 페어링 기법으로 인해 본질적으로 발생하는 주파수 효율 감소를 해결하기 위해, 무선 MIMO 채널의 전처리 (precoding) 기법을 적용한다. 모의실험 결과를 통해, 높은 변조 지수로 페어링 기법을 이용하는 것이 매우 많은 계산량이 필요한 전처리 기법과 비교하여 유사한 성능을 나타냄을 알 수 있다. 다음으로 최대비합성 기반 최적 부반송파 페어링 기법을 전력선/무선 다이버시티 시스템에 확장한다. 이 시스템에서 전력선과 무선시스템의 각 부반송파들은 짝을 이루어 최대비합성을 수행한다. 전체 데이터 전송률을 최대화하기 위해 앞과 유사한 최적 부반송파 페어링 기법을 제안한다. 모의실험 결과를 통해 제안된 기법이 데이터 전송률과 아웃티지 확률 측면에서 상당한 성능 향상을 나타낸다.To solve the problems of global warming effects, rising energy-hungry demands, and risks of peak loads, many efforts to build a Smart Grid system are underway. A smart grid requires advanced information, and communication technologies to support its intelligent features, and it depends on the reliable data transmission via a communication network. Among the candidates of communication technology for smart grid, we focus on a power line communications (PLC), especially a broadband PLC over a medium voltage (MV) powerline network. The reliability of the PLC network are prerequisite for an appropriate communication medium for smart grid. This dissertation considers a strategy to make the PLC network more reliable and robust. We consider a maximal ratio combining (MRC) diversity scheme for a power line orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. An optimal subcarrier pairing scheme is proposed to maximize the MRC gain. Numerical results are presented to verify that the proposed scheme provides enhanced performance. Diversity gain comes at the expense of spectral loss. We adopt the precoding scheme proposed for wireless MIMO system to compensate the spectral loss due to the inherent transmission mechanism of the above subcarrier pairing scheme. It is shown that the proposed pairing scheme with higher modulation order achieves a comparable performance to the precoding scheme which requires high computational cost. We extend the optimal subcarrier pairing with MRC approach to powerline/wireless diversity system, where the powerline and wireless subcarriers are paired to perform maximal ratio combining (MRC). An similar optimal subcarrier pairing scheme is proposed to maximize the data rate for MRC reception in powerline/wireless diversity OFDM systems. Numerical results show that, by using the proposed optimal subcarrier pairing, significant performance enhancement can be achieved in terms of Ergodic data rate and outage probability.1 Introduction 1 1.1 Smart Grid 1 1.2 Communication and Networking in the Smart Grid 5 1.2.1 Network Topologies 6 1.2.2 Communication Technologies for the Smart Grid 8 1.3 Dissertation Outline 11 2 Power Line Communications for Smart Grid 12 2.1 Power Line Channel Characteristics 15 2.2 PLC Channel Modeling 15 2.3 PLC Channel Noise Characteristics 17 2.4 MV Channel Description for This Dissertation 19 2.4.1 Implementation of Powerline Channel 19 2.4.2 Typical Topology 22 2.5 MV Powerline Noise 25 3 Optimal Subcarrier Pairing for Maximal Ratio Combining in OFDM Power Line Communications 27 3.1 Motivation 27 3.2 Optimal Subcarrier Pairing for Maximal Ratio Combining 28 3.2.1 System Model 28 3.2.2 Optimal Subcarrier Pairing 31 3.3 Numerical Results 33 3.3.1 Simulation Environments 33 3.3.2 SER Performance Analysis 35 3.3.3 Performance Comparison with Equal Gain Combining 38 3.4 Precoding Scheme to Compensate Spectral Loss Due to Diversity Transmission 40 3.4.1 Review of the Minimum Distance-Based Precoder for MIMO Spatial Multiplexing Systems 41 3.4.2 Optimal Minimum Distance-Based Precoder for QPSK Constellation 41 3.4.3 Application to PLC OFDM System 44 3.4.4 Performance Comparison of max-dmin Precoder for QPSK Modulation 44 3.4.5 Performance Comparison of max-dmin Precoder for 16-QAM Modulation 49 3.4.6 Complexity Analysis 53 3.5 Conclusion 53 4 Optimal Subcarrier Pairing for MRC in Powerline/Wireless Diversity OFDM Systems 55 4.1 Motivation 55 4.2 Powerline/Wireless Diversity OFDM Systems 57 4.3 Optimal Subcarrier Pairing for Powerline/Wireless Diversity 60 4.4 Numerical Results 62 4.4.1 Channel Models 63 4.4.2 Performance Comparison 67 4.5 Conclusion 76 5 Concluding Remarks 77 5.1 Summary 77 5.2 Future Works 78Docto