On the Location of Plug-In Relay Devices for Indoor Power Line Communication Environment

Indoor power line communication (PLC) systems experience high attenuation and frequency-selective channel condition, in addition to different types of colored noises. Its performance is heavily influenced by the length and topology of the in-house power cable wiring. By exploiting the broadcast property of the indoor power grid to each outlet, this paper presents a simple but practical relay-based cooperativecommunication scheme for indoor PLC networks. By plugging a relay device into a third outlet between the transmitter and receiver, reliable signal-to-noise ratio (SNR) can be cooperatively achieved by setting proper system parameters. The condition for the optimal location of the plug-in relay device has been identified. Numerical simulation results show that with the cost of extra relay device, more reliable performance can be obtained with respect to the conventional direct transmission scheme

Multi-points cooperative relay in NOMA system with N-1 DF relaying nodes in HD/FD mode for N user equipments with energy harvesting

Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) is the key technology promised to be applied in next-generation networks in the near future. In this study, we propose a multi-points cooperative relay (MPCR) NOMA model instead of just using a relay as in previous studies. Based on the channel state information (CSI), the base station (BS) selects a closest user equipment (UE) and sends a superposed signal to this UE as a first relay node. We have assumed that there are N UEs in the network and the N-th UE, which is farthest from BS, has the poorest quality signal transmitted from the BS compared the other UEs. The N-th UE received a forwarded signal from N - 1 relaying nodes that are the UEs with better signal quality. At the i-th relaying node, it detects its own symbol by using successive interference cancellation (SIC) and will forward the superimposed signal to the next closest user, namely the (i + 1)-th UE, and include an excess power which will use for energy harvesting (EH) intention at the next UE. By these, the farthest UE in network can be significantly improved. In addition, closed-form expressions of outage probability for users over both the Rayleigh and Nakagami-m fading channels are also presented. Analysis and simulation results performed by Matlab software, which are presented accurately and clearly, show that the effectiveness of our proposed model and this model will be consistent with the multi-access wireless network in the future.Web of Science82art. no. 16

Power Savings with Opportunistic Decode and Forward over In-Home PLC Networks

Abstract-We consider a cooperative system to provide power saving, quality of service, and coverage extension over in-home power line communications (PLC) networks. We focus on a cooperative relay scheme, where the communication between source and destination nodes follows an opportunistic time division decode and forward (ODF) protocol. At the physical layer we assume the use of a multi-carrier scheme. We show that the joint problem of power and time slot allocation for the multi-carrier time division decode and forward (DF) protocol is not convex. To reduce the complexity, we propose an heuristic algorithm that considers two convex sub-problems. The validation of the algorithm is done over statistically representative in-home PLC networks. Through extensive numerical results, we show that the use of relaying allows for saving several dBs of transmitted power, yet achieving the same rate of the direct transmission. Furthermore, over multiple sub-topologies networks interconnected through circuit breakers, e.g., a multifloor house, the relay increases the network coverage

Energy-Per-Bit Performance Analysis of Relay-based Visible-Light Communication Systems

Relaying systems, such as amplify-and-forward (AF), decode-and-forward (DF), selective DF (SDF) and incremental DF (IDF) relaying are usually used to ensure high performance and reliability for communication systems. A comprehensive energy efficiency performance study for different half-duplex relaying protocols, namely DF, SDF and IDF over visible light communication (VLC) channels is provided in this paper. Accurate analytical expressions for both outage probability and the minimum energy-per-bit performance of the aforementioned relaying systems are derived. For the sake of comparison and to justify the use of relays in the proposed system, the performance of a single-hop scenario is analyzed and compared to the relay-based links. The accuracy of the analysis is verified by Monte Carlo simulations. The results reveal that the single-hop VLC system offers the poorest performance compared to that offered by VLC relay-based systems particularly for relatively high end-to-end distances. However, the best performance is offered by SDF and IDF schemes as they have a lower outage probability than other systems under consideration. This work also shows that the performance of the systems under consideration is affected by some parameters, such as the vertical distance to user plane and the maximum cell radius of the LED

Multichannel power line communication

Power line communication (PLC) is the technology in which the data signals of a communication system are transmitted through the conductors of a power delivery infrastructure. The unique environment of the PLC channels create specific challenges and requirements, which need to be modeled and analyzed properly in order to obtain a clear understanding of the communication system as well as attaining the ability to further improve the performance and reliability of the transmission. Moreover, the demand for increased data throughput as well as increased reliability and robustness of the transmission is of fundamental importance in any communication system as it is in PLC systems. In order to address these challenges and demands, the concept of multichannel PLC is studied and developed in this thesis. Multichannel PLC in this context is referred to the transmission of multiple information-carrying signals though the power line channel from one source to one destination. We study multiple scenarios of multichannel data transmission in order to cover the diverse situations and requirements of a PLC transmission. One of the multichannel scenarios discussed in this thesis is the multiple-input multiple-output (MIMO) transmission, in which multiple data signals are transmitted via spatially separated PLC channels. Another scenario discussed in this thesis is the cooperative transmission between the source and destination of a PLC system by means of intermediate relay nodes in the network. Finally, the multiband transmission by utilizing different parts of the available PLC spectrum is studied. The core objective of this thesis is to develop and study novel algorithms and models to address the challenges and problems introduced in different scenarios of the multichannel PLC. These problems can be categorized as the channel selection problem for MIMO transmission, the relay selection problem for the cooperative communication, and the spectrum assignment problem for the multiband transmission. The basis of all these problems is a decision making problem, which can greatly influence the performance of the system. To address these decision making problems, a powerful mathematical tool, namely the multi-armed bandit model, is used to model the different problems emerging in different scenarios of the multichannel PLC. This modeling approach is then used as a building block for developing machine learning algorithms in order to solve the aforementioned selection problems. Finally, novel machine learning algorithms are developed and their performances are analyzed and assessed. It is shown that the machine learning approach can considerably improve the performance of the multichannel PLC systems compared to the existing state of the art approaches, by enabling the selecting agent, i.e. the PLC transmitter, to perform intelligent decisions which improves the overall performance.Die Power-Line-Communication (PLC) ist die Technologie, bei der die Datensignale eines Kommunikationssystems über die Leiter einer Energieversorgungsinfrastruktur übertragen werden. Die einzigartige Umgebung der PLC-Kanäle stellt konkrete Herausforderungen und Anforderungen dar, die modelliert und analysiert werden müssen, um ein klares Verständnis des Kommunikationssystems zu erhalten und die Fähigkeit zur Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit der Übertragung zu erreichen. Darüber hinaus ist in Kommunikationssystem die Nachfrage nach erhöhtem Datendurchsatz, sowie erhöhter Zuverlässigkeit und Robustheit der Übertragung von grundlegender Bedeutung. Um diesen Herausforderungen und Anforderungen gerecht zu werden, wird in dieser Arbeit das Konzept der Mehrkanal-PLC untersucht und weiterentwickelt. Die Mehrkanal-PLC wird in diesem Zusammenhang auf die Übertragung mehrerer informationstragenden Signale über den PLC-Kanal von einer Quelle zu einem Ziel bezogen. Wir untersuchen mehrere Szenarien der Mehrkanal-Datenübertragung, um die vielfältigen Anforderungen einer PLC-Übertragung zu behandeln. Eines der in dieser Arbeit besprochenen Mehrkanal-Szenarien ist die Multiple-Input-Multiple-Output-Übertragung (MIMO), bei der mehrere Datensignale über räumlich getrennte PLC-Kanäle übertragen werden. Ein weiteres Szenario, das in dieser Arbeit diskutiert wird, ist die kooperative Übertragung zwischen der Quelle und dem Ziel eines PLC-Systems mittels Zwischenrelais als Knoten im Netzwerk. Schließlich wird die Multiband-Übertragung unter Verwendung unterschiedlicher Teile des verfügbaren PLC-Spektrums untersucht. Das Kernziel dieser Arbeit ist es, neuartige Algorithmen und Modelle zu entwickeln und zu untersuchen, um die Herausforderungen und Probleme zu lösen, die in verschiedenen Szenarien der Mehrkanal-PLC existieren. Diese Probleme sind als das Kanalauswahlproblem für die MIMO-Übertragung, das Relaiauswahlproblem für die kooperative Kommunikation und das Spektrum-Zuweisungsproblem für die Multibandübertragung kategorisiert werden. Die Basis all dieser Probleme ist ein Entscheidungsproblem, das die Leistungsfähigkeit des Systems stark beeinflussen kann. Um diese Probleme lösen zu können, wird ein mathematisches Werkzeug, nämlich das mehrarmige Bandit-Modell, verwendet, um die verschiedenen Probleme zu modellieren, die sich in verschiedenen Szenarien der Mehrkanal-PLC ergeben. Dieser Modellierungsansatz wird als Baustein für die Entwicklung von maschinellen Lernalgorithmen verwendet, um die zuvor beschriebenen Auswahlprobleme zu lösen. Schließlich werden neuartige maschinelle Lernalgorithmen entwickelt und ihre Leistungen analysiert sowie bewertet. Es zeigt sich, dass der maschinelle Lernansatz die Leistungsfähigkeit der Mehrkanal-PLC-Systeme im Vergleich zu den bestehenden Ans\"atzen des Standes der Technik erheblich verbessern kann, indem es dem Auswahlagenten, d.h. dem PLC-Sender, ermöglicht, intelligente Entscheidungen durchzuführen, die die Gesamtleistung verbessern

Contribución al estudio de receptores con diversidad angular para la interconexión de sensores mediante enlaces ópticos no guiados

Las comunicaciones ópticas no guiadas se basan en la transmisión de datos usando radiación lumínica con longitudes de ondas comprendidas entre el infrarrojo y el ultravioleta. Esta región espectral permite disponer de un ancho de banda ilimitado y sin restricciones legales más allá de las referidas a la seguridad ocular en la banda del infrarrojo, y evitar cualquier tipo de incompatibilidad electromagnética con los sistemas de radiofrecuencia (RF) convencionales. Esto ha hecho que las comunicaciones ópticas no guiadas, tanto en el infrarrojo como en el visible (VLC), se postulen como una tecnología complementaria e incluso alternativa a la de RF en algunos entornos de aplicación. En este contexto, en el presente trabajo se realizan diferentes contribuciones sobre un algoritmo de simulación, basado en técnicas de trazado de rayos y en el método de Monte Carlo, y en el modelo de propagación existente, que conjuntamente con dicho algoritmo permite caracterizar el canal óptico no guiado en interiores. La herramienta de simulación desarrollada se ha aplicado al estudio del empleo de estructuras de recepción no formadoras de imagen con detección en diversidad angular para la interconexión de los nodos de una red de sensores óptica inalámbrica que trabaja en difusión para su uso en interiores. Con la finalidad de simular configuraciones más realistas, además de modelar el ruido debido a las fuentes de iluminación ambiental, tanto natural como artificial, se ha realizado una revisión de los modelos existentes para caracterizar el ruido debido a la etapa de preamplificación que comúnmente se utiliza en el sistema receptor. Mientras que el modelo propuesto para aproximar el efecto de la iluminación natural mejora a los anteriores respecto a su eficiencia computacional, el propuesto para simular las fuentes de iluminación artificial permite considerar toda la potencia óptica debida a las múltiples reflexiones que sufre la iluminación antes de alcanzar al receptor. Además de adaptar el modelo de propagación y el algoritmo para poder estudiar aquellos enlaces donde la transmisión óptica abarca un amplio rango espectral, tal y como acontece en los sistemas VLC, también se presentan varias mejoras orientadas a facilitar el uso de la herramienta de simulación y a disminuir su tiempo de ejecución. En relación con la utilización del programa de simulación, se proporciona la posibilidad de definir el enlace de comunicación mediante la utilización de aplicaciones gráficas comerciales de diseño 3D y caracterizar el canal óptico no guiado en cualquier entorno de interior por muy complejo que éste sea, donde pueden coexistir diferentes emisores y receptores en presencia de fuentes de iluminación ambiental. Con la finalidad de reducir el tiempo de simulación, se presentan dos optimizaciones basadas en mejorar la propagación de los rayos en el interior del entorno de simulación y en la paralelización del algoritmo de simulación. La primera permite reducir el tiempo de ejecución como mínimo en un treinta por ciento, y la segunda, obtener una aceleración de cómputo prácticamente proporcional al número de procesadores utilizados Por último, se presenta un estudio comparativo de las prestaciones derivadas de utilizar tres tipos de receptores no formadores de imagen en diversidad angular como elemento detector de la radiación óptica recibida por los nodos de una red de sensores infrarroja que trabaja en difusión en ambientes de interior y en la que se transmite con una tasa de bit inferior a 115 kb/s. Los recetores en diversidad estudiados son el receptor convencional (CDR), el auto-orientable (SOR) y el receptor sectorizado (SDR). Para este último se presenta un modelo matemático aplicable a algoritmos de trazado de rayos, que permite caracterizar su área efectiva de detección y que ha permitido establecer la estructura óptima que debe presentar este tipo de receptores respecto a los principales parámetros que caracterizan el canal óptico no guiado en interiores. Como resultado del estudio comparativo se demuestra que el receptor convencional en diversidad angular en conjunción con la técnica de combinación EGC es la solución que exhibe las mejores prestaciones en cuanto a la SNR, eficiencia en potencia transmitida, así como requerimientos de capacidad computacional y consumo de energía. Es decir, dicho receptor empleando EGC es el que mejor se ajusta a las principales limitaciones que presentan los nodos de una red de sensores infrarroja que opera en difusión