Resumen de Diseño de estrategias de sincronización y estimación de canal para la mejora de comunicaciones multiportadora en redes inteligentes de energía
- español
En las últimas décadas se ha despertado un creciente interés en los sistemas de comunicaciones por la red eléctrica (Power-Line Communications - PLC) debido a su importante rol en el desarrollo de las redes eléctricas inteligentes. Los canales PLC presentan una marcada selectividad de frecuencia debido al efecto multicamino y diversas fuentes de ruido, lo que conforma un escenario desafiante para el desarrollo de sistemas de comunicaciones confiables. La multiplexación por división de frecuencias ortogonales (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) se ha propuesto como una solución eficiente para los sistemas PLC debido a su robustez frente a los canales de desvanecimiento selectivo en frecuencia. Sin embargo, los sistemas OFDM requieren de una sincronización adecuada, en conjunto con la estimación y ecualización del canal PLC para un desempeño apropiado.
La presente tesis contribuye en el desarrollo de estrategias eficientes de sincronización y estimación de canal para sistemas OFDM-PLC, que representen una disminución en la complejidad asociada respecto a variantes existentes en la literatura, y a su vez mantengan un desempeño competitivo. En primer lugar, se realiza el diseño de un símbolo piloto novedoso construido a partir de pares de secuencias complementarias, bajo el criterio de presentar adecuadas propiedades de correlación, un procesamiento de reducida complejidad, y la flexibilidad necesaria para poder aplicar técnicas de sincronización gruesa basadas en autocorrelación (AC) y correlación cruzada (CC), y efectuar una sincronización fina y estimación de canal a partir de esta última.
Con respecto a la sincronización gruesa, se realiza una comparación exhaustiva entre las técnicas basadas en AC y CC en las condiciones particulares del canal PLC. Luego, se desarrolla un algoritmo de sincronización fina a partir de la CC eficiente del símbolo piloto propuesto, en el que los cómputos realizados pueden reutilizarse posteriormente para obtener una estimación de la respuesta al impulso del canal, reduciendo la complejidad del conjunto respecto a un enfoque individual de cada etapa. Se realiza un análisis estadístico de las métricas planteadas en la etapa de sincronización gruesa así como aquellas planteadas en la etapa de sincronización fina, y se derivan umbrales de detección apropiados para los algoritmos de sincronización en cada caso.
Finalmente, se evalúa la propuesta de sincronización y estimación de canal conjunta en un escenario de transmisión en el que se limita el número de subportadoras activas a partir de una máscara espectral de compatibilidad electromagnética. Se evalúa la degradación de las propiedades del símbolo piloto propuesto, y a partir de ello se redefinen los umbrales de detección utilizados en las etapas de sincronización gruesa y fina. Se plantea la modificación de la correlación cruzada en el receptor para completar las subportadoras inactivas de manera tal de contrarrestar el efecto nocivo de la máscara espectral en la estrategia de estimación de canal.
A lo largo del trabajo se lleva a cabo un análisis de la complejidad asociada al cómputo de los algoritmos propuestos en los distintos escenarios planteados, y se verifica que la propuesta representa una opción de reducida complejidad gracias al diseño del símbolo piloto propuesto y su arquitectura de correlación eficiente.
- English
In the last decades, there has been a growing interest in Power-Line Communications (PLC) systems due to their key role in the smart grids development. The power distribution network is present in residential, commercial and industrial areas, so it becomes a transmission medium that presents a low-cost deployment of digital communications system, in order to meet the needs of automation and control. However, PLC channels present high frequency selectivity due to the multipath effect and various noise sources, which make the development of reliable communications systems challenging. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been proposed as an efficient solution for PLC systems due to its robustness against frequency selective fading channels. However, OFDM systems require adequate synchronization and channel estimation and equalization for proper performance.
This thesis contributes to the development of efficient synchronization and channel estimation strategies for OFDM-PLC systems, which represent a decrease in the associated complexity with respect to existing strategies in the literature, while maintaining competitive performance. Firstly, we design a novel pilot symbol generated from complementary pair of sequences, pursuing adequate correlation properties, reduced complexity signal processing, and the necessary flexibility to apply coarse synchronization techniques based on auto-correlation (AC) and cross-correlation (CC), and to perform fine synchronization and channel estimation based on CC.
With respect to coarse synchronization, a comprehensive comparison is made between AC and CC based techniques under the particular conditions of the PLC channel. Then, a fine synchronization algorithm is developed from the efficient CC of the proposed pilot symbol, where the computations performed can be reused to obtain an estimate of the channel impulse response, reducing the complexity of the ensemble with respect to an individual approach for each stage. A statistical analysis of the metrics proposed in the coarse synchronization stage as well as those of the fine synchronization stage is performed, and appropriate detection thresholds are derived for the synchronization algorithms in each case.
Finally, the proposed joint synchronization and channel estimation is evaluated under a transmission scenario in which the number of active subcarriers is limited by means of an electromagnetic compatibility spectral mask. The degradation of the correlation properties of the proposed pilot symbol is evaluated, and therefore the detection thresholds used in the coarse and fine synchronization stages are redefined. A modification of the CC in the receiver is proposed, filling the inactive subcarriers in order to counteract the harmful effect of the spectral mask in the channel estimation strategy.
Throughout the work, an analysis of the complexity associated with the computation of the proposed algorithms in the different scenarios is carried out, and it is verified that the proposal represents an option of reduced complexity thanks to the design of the proposed pilot symbol and its efficient correlation architecture.
