• No results found

Improvement for LDPC Coded OFDM Communication System over Power Line

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Improvement for LDPC Coded OFDM Communication System over Power Line"

Copied!
86
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Communication System over Power Line

WU DAN

Master of Science Thesis Stockholm, Sweden 2013

(2)
(3)

Communication System over Power Line

WU DAN

Master of Science Thesis performed at the Radio Communication Systems Group, KTH.

May 2013

Examiner: Ben Slimane

(4)

Radio Communication Systems (RCS) TRITA-ICT-EX-2013:99

⃝ Wu Dan, May 2013c Tryck: Universitetsservice AB

(5)

 

 

 

 

 

Improvements for LDPC coded OFDM Communication system over Power Line

     

 

Wu Dan

Master’s Thesis at COS Department, KTH Supervisor: Fuliang Yin, Zhe Chen

Examiner: Prof. Ben Slimane

March 2013

(6)
(7)

Abstract 

Power  line  communication  has  been  around  in  past  decades  and  gained  renewed  attention  thanks  to  the  demand  of  high‐speed  Internet  access.  With  the  significant  advantages  of  existing  infrastructure  and  accessibility  to  even  remote  areas,  power  grid  has  become  one  of  the  promising  competitors  for  multi‐media  transmission  in  household. However, the power line was not oriented for data transmission providing  a  rather  hash  environment.  To  overcome  the  difficulties,  advanced  modulation  and  channel coding schemes should be employed.   

In  the  thesis  low  density  parity  check  code  (LDPC)  is  employed  to  reduce  the  loss  caused  by  various  kinds  of  effects  in  the  channel  especially  the  noise  since  its  performance  approaches  to  Shannon  capacity  limit.  Moreover,  OFDM  multi‐carrier  transmission  technique  is  involved  which  could  decrease  the  inter‐symbol  interference  and  frequency  selective  fading.  Nevertheless,  LDPC  decoding  process  was designed specifically for the common Gaussian white noise condition, combined  with OFDM modulation the system still could not provide satisfying and practicable  performance so improvements are needed for the system. 

The  main  works  of  the  thesis  are  as  follows.  Set  up  an  environment  of  power  line  transmission  investigating  and  simulating  the  channel  characteristics;  employ  multi‐path  channel  model  and  Class‐A  noise  model  for  further  developing  the  improvement  algorithms  to  deal  with  the  selective  fading  and  impulse  noise.  Two  algorithms proposed here are from different perspectives: the first one is modifying  initial  posterior  information  for  LDPC  decoding  and  the  second  one  aims  at  suppressing  the  impulse  noise  after  demodulation.  Finally,  a  few  simulations  are  performed  to  reveal  the  effectiveness  of  proposed  methods.  As  a  result,  the  improved  scheme  shows  a  great  superiority  improving  the  performance  by  no  less  than 5dB compared to traditional system. 

 

KEY  WORDS:  low‐voltage  power  line  communication  (LV‐PLC),  LDPC,  OFDM,  impulse noise suppression, Class‐A noise 

 

 

 

 

 

(8)
(9)

 

Catalogue

Chapter 1 Background ... 1 

1.1 Background and significance of the project ... 2 

1.2 Power line communications for Internet access ... 2 

1.3 Appliances and standards for PLC... 4 

1.3.1 HomePlug Power‐Line Alliance ... 4 

1.3.2 Products in the field ... 5 

1.3.3 Other organizations ... 5 

1.4 Low Density Parity Check codes theory ... 5 

1.4.1 LDPC codes development... 5 

1.4.2 Advantages of LDPC codes ... 6 

1.5 Thesis structure outline and main work... 7 

Chapter 2 Power line channel characterization ... 9 

2.1 Overview ... 10 

2.2 PLC channel modeling ... 11 

2.2.1 Introduction ... 11 

2.2.2 Zimmermann and Dostert model ... 12 

2.3 Noise for PLC channel ... 13 

2.3.1 Brief introduction ... 14 

2.3.2 Noise modeling techniques for PLC ... 15 

2.3.3 Middleton Class A noise ... 15 

Chapter 3 Key techniques of power line communications ... 19 

3.1 OFDM modulation fundamental ... 20 

3.2 OFDM realization with DFT/IDFT ... 22 

3.3 OFDM techniques ... 24 

Chapter 4 Low Density Parity Check Codes ... 26 

4.1 Basic concept of LDPC ... 27 

4.1.1 Tanner graph of LDPC codes ... 27 

4.1.2 Regular and irregular LDPC codes ... 29 

4.1.3 Cycle and minimum distance in LDPC codes ... 30 

4.2 LDPC check matrix construction ... 31 

4.2.1 Regular LDPC codes construction by Gallager ... 31 

4.2.2 Regular LDPC by MacKay and Neal ... 32 

4.2.3 Quasi‐Cyclic LDPC construction ... 33 

4.2.4 Deterministic LDPC construction ... 33 

4.3 LDPC encoding scheme ... 34 

4.4 LDPC decoding scheme ... 36 

4.4.1 Message passing ... 36 

4.4.2 Belief propagation in probability domain ... 37 

4.4.3 Belief propagation in log domain ... 42 

4.4.4 Min‐Sum decoding scheme ... 44 

4.4.5 Bit‐flipping decoding scheme ... 45 

Chapter 5 Noise suppression and modified decoding for PLC system ... 48 

(10)

 

5.1 Algorithms for performance improvement in terms of impulsive noise ... 49 

5.2 Robust decoding of LDPC codes in the presence of impulsive noise ... 50 

5.2.1 Motivation and formulation for robust decoding ... 50 

5.2.2 Implementation ... 52 

5.3 Impulsive noise suppression in LDPC coded OFDM system... 53 

5.3.1 Motivation ... 53 

5.3.2 Principle and implementation process ... 55 

Chapter 6 Performance of improved PLC system... 57 

6.1 LDPC coded OFDM system with impulse noise ... 58 

6.2 Performance of modified LDPC over PLC ... 60 

6.3 Performance of impulse noise suppression over PLC... 62 

6.4 Performance of improved system over PLC ... 65 

6.4.1 Integrated improvement scheme ... 65 

6.4.2 Performance of integrated scheme in more realistic scenario ... 67 

6.5 Conclusion ... 68 

Chapter 7 Conclusion and future work ... 70 

7.1 Conclusion for the thesis ... 71 

7.2 Future work ... 71 

Reference ... 73   

         

 

 

 

   

(11)

 

 

 

 

 

 

 

Chapter 1 Background

 

 

 

 

 

 

 

(12)

 

1.1 Background and significance of the project

In informational society, Internet has become an indispensable part of our daily lives,  especially the mushroom growth of high speed Internet, multi‐media and power line  communications  (PLC),  lead  to  people’s  higher  expectation  and  demand  for  a  convenient and fast way to get access to the Internet.   

As  a  new  access  mode  PLC  has  already  been  paid  more  attentions,  which  employs  the low voltage line of power distribution networks for multi‐media service such as  VOD (video‐on‐demand) and voice conference [1]. Thanks to the existing power grid,  subscribers can access the high‐speed and high‐capacity backbone networks with a  satisfactory  quality  of  service  (Qos).  With  the  significant  advantages  of  existing  infrastructure  and  accessibility  to  even  remote  areas,  power  network  has  become  one  of  the  promising  competitors  for  multi‐media  transmission  in  household. 

Unfortunately, since the power line was specifically oriented and designed for power  conveyance,  it  provides  a  rather  harsh  environment  when  used  for  multi‐media  transmission  such  as  the  instable  quality,  considerable  attenuation  and  also  networking security, etc. Moreover, the noise from loads and interference introduced  by  radio  broadcast  are  also  severe  enough  to  make  a  bad  influence  on  the  communication channels and thus have to be considered seriously. For instance, the  turn‐on and turn‐off actions to the loads cause the fluctuation of the current flow on  the network, leading to the generation of electromagnetic wave around power lines  and making troubles when transmitting data. The quality of communication basically  depends on the situation of channel, on which the noise presented is the main factor  to  some  extent.  On  this  occasion,  signals  are  apt  to  corrupt  by  high‐frequency  impulse noise, especially over the period of peak demand, leading to the instability  [2]. Moreover, the impulse noise on the PLC channel has characteristics of transient,  high  power  and  wide  coverage  and  cause  severe  effect  on  the  transmitted  signals,  making it hard to make decision and correction on the receiving end.   

To  overcome  the  above‐mentioned  difficulties  and  make  assurance  for  Qos,  advanced  techniques  have  to  be  adopted.  Typically,  noise  suppression  is  necessary  and  moreover  channel  coding  is  an  excellent  means  of  improving  the  PLC  transmission quality. Among all kinds of channel coding schemes, low density parity  check  (LDPC)  codes  has  drawn  renewed  attention  due  to  its  outstanding  performance‐very close to Shannon limit [3]. Compared to Turbo codes, LDPC is more  flexible  and  easier  for hardware  realization.  Besides  interleaver  is  not  necessary  on  account  that  LDPC  codes  has  resistance  to  burst  errors  by  itself.  Since  it  has  been  ignored  for  several  decades  few  of  the  standards  in  practice  employs  this  kind  of  codes even though with such excellent characteristics. So in this thesis, LDPC coding  scheme  is  studied  and  employed  to  deal  with  impulse  noise  presented  on  the  PLC  channel. By improving LDPC decoding particularly against the channel characteristics  and applying OFDM modulation techniques, a considerable enhance in performance  would be expected. 

1.2 Power line communications for Internet access

(13)

Generally, PLC technique can be categorized into three classes: high‐voltage PLC (≥

35kv), medium‐voltage PLC (10‐30kv) and low‐voltage PLC (380v/220v). High‐voltage  power  line  is  mainly  used  for  long  distance  transmission  with  the  frequency  below  150  kHz  while  medium‐voltage  and  low‐voltage  can  be  employed  for  both  narrow‐band carrier communication and broad‐band data transmission. Considering  the  latter,  it  is  the  popular  application  for  power  line  networks  which  is  also  called  high speed PLC technique.   

While  the  PLC  of  medium‐voltage  is  mainly  used  as  transmission  links,  providing  access for backbone network and electric distribution network automation, etc., the  low‐voltage  is  deployed  commonly  for  Internet  access,  household  local  area  networks, remote recording and smart grid. Herein, low‐voltage PLC is the task which  will be focused and discussed in details. 

For  low‐voltage  power  line  communications,  the  market  for  Internet  access  is  two‐folded: the “last mile access” which means network to the home and the “last  inch access” referring the in‐home networking. [2] 

According  to  some  research,  power  line  communications  does  not  show  any  superiority to other “last mile access” ways including cable modem, digital subscriber  lines (xDSL) and broadband wireless. While as for “last inch access”, it is considered  to be an optimum scheme compared with other technologies such as cable, wireless  or phone line networking [2]. Figure 1‐1 illustrates the concept of “last inch”. 

adapter

electric meter

router

Backbone networks

power line

Internet

adapter

modem

 

Figure 1‐1 “Last inch” access in home 

The Internet access in household this way is achieved by employing power line as a  transmission medium. PLC adapters should be applied, extending the original power  distribution networks into power line communication networks and the power socket  into  plug‐in  socket  for  Internet.  The  first  PLC  adapter  connected  to  modem  or  LAN  port of router is necessary for spreading Internet signal into power lines, and then for  any other electric devices in the house willing to get access to the Internet, it just has  to  be  connected  with  any  other  outlet  through  another  PLC  adapter.  In  this  way  power  line  communication  network  is  built  and  users  are  able  to  get  access  to  the  Internet wherever there are power outlets.   

(14)

One of the insightful advantages for power line access lies in that it could excellently  handle  the  situation  in  which  deploying  wire  is  hard  or  expensive  and  also  for  the  situation where wireless signal cannot completely cover or the blind spots exist such  as  big  apartment  or  villadom,  in  which  case  both  wireless  and  power  line  can  be  employed working together to provide best Internet access for the whole space.   

1.3 Appliances and standards for PLC

1.3.1 HomePlug Power‐Line Alliance

HomePlug  Powerline  Alliance  was  set  up  in  the  year  2000  with  more  than  70  members  all  through  the  world.  As  a  leading  open  standard  organization  for  developing  power  line  communication  protocol,  it  has  set  a  series  of  specifications  and standards for PLC technology forming a complete system which basically includes  all  the  application  fields  for  PLC.  By  cooperating  with  international  standard  organizations  like  IEEE,  HomePlug  Powerline  Alliance  has  been  devoted  into  spreading  PLC  techniques  and  applications.  Considering  the  harsh  environment  provided  by  power  line  for  data  transmitting,  many  efforts  have  been  made  with  regard to error correction in the protocols. 

(1)HomePlug 1.0 

HomePlug 1.0 is the first standard in HomePlug approved in the year 2001 with the  theoretical  maximum  speed  14Mbps.  In  2004,  HomePlug  1.0  Turbo  was  proposed  with the maximum speed 85Mbps. HomePlug 1.0 appoints Burst mode OFDM as the  basic  transmission  techniques,  for  which  each  independent  sub‐carrier  can  employ  different  modulation  schemes.  Physical  layer  takes  up  the  bandwidth  between  4.5  and  21MHz  with  a  total  of  84  sub‐carriers.  In  respect  of  error  control,  concatenate  Viterbi, Reed Solomon (RS) and interleave techniques is applied in the standard.   

In the past few years millions of PLC products based on HomePlug 1.0 standard have  been sold out, proving the feasibility of the technique as well as standard. However,  those  products  on  basis  of  HomePlug  1.0  proved  to  be  easily  corrupted  by  the  influence  of  other  devices,  for  example,  the  speed  for  Internet  suffering  could  suddenly drop from 2Mbps down to 64kbps or even lower due to the open action of  television.  In  order  to  make  up  the  deficiencies  HomePlug  appliance  proposed  the  substitute of HomePlug 1.0 in August of 2005, and that is HomePlug AV.   

(2)HomePlug AV 

HomePlug  AV  aims  at  providing  satisfying  performance  for  digital  multi‐media  transmission in family and high‐speed Internet access with the practical transmission  rate  up  to  70‐100Mbps.  Moreover,  the  new  standard  concerns  the  QoS  technology  which  guarantees  the  transmission  for  128  bit  AES  coded  audio  and  video  and  the  security  for HomePlug  AV  is  much  better  than  early  one.  The  new  standard  adopts  OFDM  modulation  with  windowing  and  Turbo  convolutional  code  (TCC)  enhancing  the reliability. It has been proved that HomePlug AV provides satisfying performance  even tested with old power line networks and in more than 80% percent cases the 

(15)

data rate is no less than 50‐55 Mbps. 

(3)HomePlug C&C and BPL 

HomePlug  C&C  is  a  set  of  low  speed  sensing  and  monitoring  networks  employing  original power lines for support of smart grid and family automation. And HomePlug  BPL targets the realization of connection between family and exterior networks. 

(4)G.hn 

G.hn  is  a  collection  of  home  network  technology  of  standards  developed  by  the  International  Telecommunication  Union’s  Telecommunication  standardization  sector  (ITU‐T) [5]. The specification aims at making rules for the unified next generation of  Home Networking Transceiver over power lines, telephone lines and coaxial cables in  terms of MAC and PHY layer.   

The recommendation G.9960 received approval on October, 2009 which specifies the  physical  layer  and  architecture  of  G.hn.  It  specifies  the  FFT  realization  of  OFDM  modulation and LDPC codes as the forward error correction mechanism. 

1.3.2 Products in the field

IN5200  is  a  type  of  PLC  integrated  circuit  (IC)  from  Intellon  based  on  the  standard  HomePlug 1.0 with maximum speed up to 14Mbps. Then in September 2004, a new  chipset INT 5500 was issued by the same company with a higher speed up to 85Mbps,  providing services of high‐definition television (HDTV) and television (IPTV), etc. After  that the first PLC chip set on the basis of HomePlug AV INT6300 came into the market  and it is regarded as the best suitable for multi‐media streaming applications. In the  current  market  most  of  the  PLC  related  products  is  based  on  the  standards  of  HomePlug Alliance. 

1.3.3 Other organizations

There  are  some  other  research  groups  working  in  the  field  of  PLC  and  the  standardization,  for  example,  European  Telecommunications  Standards  Institute  power‐line  telecommunications  aims  at  providing  standards  for  voice  and  data  service over power line and IEEE are due to the IEEE BPL study group.   

1.4 Low Density Parity Check codes theory

1.4.1 LDPC codes development

As  one  of  the  most  important  people  who  made  great  contributions  to  modern  communication  theory,  Shannon,  an  American  mathematician  put  forward  channel  capacity  in  1948.  In  his  paper,  he  figured  out  that  channel  capacity  refers  to  the  maximum  transmission  rate  for  a  specific  channel,  which  means  when  the 

(16)

transmission rate is equal or lower than this maximum rate, reliable communication  can be achieved for any bit error rate. In contrast, with a higher transmission rate the  quality of transmission cannot be guaranteed in spite of what kind of transceivers is  used. This theory is also called Shannon theorem. 

Since  Shannon  theorem  had  been  put  forward  various  kinds  of  channel  coding  schemes were developed including block code and convolutional code, etc. However,  the characteristic of these coding  schemes were limited, far from channel capacity. 

Thus,  Shannon  theorem  was  considered  to  be  an  unpractical  limit  that  cannot  be  achieved,  providing  only  theoretical  significance.  In  1993,  a  French  academic  C.Berrou raised  parallel  concatenated  convolutional  code  (PCCC,  also  called  Turbo  code) based on the exchange of extrinsic information and iterative decoding method,  of which the characteristic is rather close to Shannon limit. After that, iteration‐based  decoding  scheme  became  the  target  of  research  and  investigations  and  different  kinds  of  coding  method  appeared  including  Turbo  convolutional  code  (TCC)  and  Turbo product code (TPC), etc. 

During this time, Mackay and Neal found out a kind of linear block code, which was  based  on  belief  propagation  decoding  scheme  of  graph  theory  and  very  close  to  Shannon limit. It has been found that this kind of code scheme was just the same as  the one put forward by Gallager as low density parity check (LDPC) in 1962 [6]. In his  paper for PhD degree, Gallager proposed a decoding scheme on basis of probability  domain iteration and proved this kind of scheme was rather close to Shannon limit. 

However, due to the limitation of computer signal processing level, it was rather hard  to  put  this  code  scheme  into  practice.  Moreover,  people’s  deep  belief  and  general  acceptance for the combination of linear block code and convolutional code made it  harder  for  LDPC  to  be  noticed  and  adopted  in  the  later  30  years  until  Mackay  and  Neal raised it again. Later, Luby came up with irregular LDPC on basis of the simple  binary regular code scheme, and Davey extended the scheme into Galois field (GF),  proposing multi‐nary LDPC [7]. Then Richardson raised probability density estimation  (DE)  scheme,  providing  an  explanation  for  belief  propagation  iteration  decoding  method  as  well  as  theory  foundation  for  LDPC  method  being  close  to  Shannon  theorem.  Irregular  LDPC  codes  based  on  this  theory  has  only  0.0045dB  away  from  the  limit,  having  rather  good  performance.  What  is  more,  M.Chiain  evaluated  the  performance  of  LDPC  under  the  condition  of  memory  fading  channel,  based  on  which  B.Myher  put  forward  a  coding  scheme  with  self‐adapted  rate  applied  in  slow‐varying flat fading channel. The scheme can also be used for FEC‐ARQ systems. 

1.4.2 Advantages of LDPC codes

Comprising  with  another  Shannon  limit  codes,  e.g.  Turbo  codes,  LDPC  has  the  following advantages. 

(1) The  decoding  scheme  of  LDPC  codes  is  an  iterative  process  based  on  sparse  matrix with low computation complexity, besides the parallel structure makes it  easier to be implemented on hardware. 

(17)

(2) Since code rate for LDPC is easy to be adjusted, it is feasible for realizing system  optimization with a flexible and self‐adapted coding scheme. Compared to Turbo  codes  LDPC  performs  better  when  it  comes  to  high‐speed  data  transmission  or  high‐performance system. 

(3) Low  error  floor  is  another  advantage  of  LDPC,  which  makes  it  possible  work  in  application  with  low  bit  error  rate  (BER),  such  as  wire  communication,  deep  space communication and disk storage industry, etc.   

(4) LDPC was raised in 1960s, of which the theory and concept is clear and open to  the  public  without  any  troubles  on  intellectual  property  and  patents,  providing  convenience and good chances for those countries and companies which stepped  late into communication fields.   

(5) LDPC has the characteristic of resistance to burst error since when bits far from  each  other  involved  in  the  same  check  equation  in  a  long  symbol  burst  error  could  hardly  have  influence  on  the  performance.  As  a  result,  interleaver  is  not  necessary  in  the  course  of  encoding  so  that  the  time  delay  by  interleave  is  successfully avoided. 

In  summary,  LDPC  has  superiority  in  the  field  of  high  capacity  communication.  At  present,  LDPC  codes  has  been  adopted  in  some  standards  since  it  is  free  of  patent  fees, for example next generation of Digital Video Broadcasting standards DVB‐S2 has  taken LDPC as the coding scheme and in the wireless transmission standard 802.11n  LDPC  is  also  used  as  the  optional  coding  scheme  substituting  Turbo  codes  in  the  previous standards 802.11g. However, since it came late onto the stage, the practical  use of LDPC in the industry field has not been that common yet and still has a huge  space to develop.   

As can be seen from the previous section, LDPC codes has not been widely employed  in the field of PLC since few of early standards for power line communications choose  LDPC  as  its  code  scheme.  In  December  2008,  the  protocol  G.9960  of  Home  Networking also assigned QC‐LDPC as its code scheme in the standards. It is not hard  to  find  that  LDPC  is  a  tendency  for  various  broadband  standards  nowadays.  Thus  LDPC codes will be focused and employed for improving the performance in power  line communication in the thesis. 

1.5 Thesis structure outline and main work

The  main  work  for  the  thesis  is  to  research  on  the  performance  of  power  line  communication with LDPC codes, simulating the communication system as a whole  including  transmitter  and  receiver.  To  test  on  the  performance  and  provide  an  accurate testing environment, suitable channel models and characteristics have to be  investigated and involved in the simulation. Finally, improvements for this particular  system  will  be  proposed  in  respect  of  decoding  schemes  and  noise  mitigation  and  simulation results of those improved methods will be shown and compared. Here the  PLC transmission system is refined and simplified with only the main procedures in  the thesis as in Figure 1‐1. 

(18)

 

Figure 1‐2 LDPC coded OFDM system block diagram  Structure of the thesis is arranged as follows: 

Chapter 1 

Introduce  the  background  and  significance  of  the  thesis,  briefly  explaining  the  application  and  advantages  of  power  line  communication  and  why  LDPC  code  is  a  promising choice in this case. 

Chapter 2 

Research on the characteristics of the power line channel including attenuation and  noise  character  and  investigate  feasible  models  to  characterize  the  power  line  environment. Introduce Zimmermann and Dostert channel model and Class A noise  models. 

Chapter 3 

Introduce OFDM modulation and the related key techniques.   

Chapter 4 

Describe  the  principle  and  process  of  LDPC  codes  and  look  deeply  into  its  soft  iterative decoding schemes.     

Chapter 5 

Firstly,  analyze  and  simulate  the  performance  of  system  with  channel  attenuation,  noise influence and OFDM modulation. In order to obtain better performance under  the  case  of  serious  impulse  noise,  improvements  need  to  be  made  on  the  system. 

Motivation and detailed methods will be described. 

Chapter 6 

Performance of improvements are simulated and compared for both theoretical and  practical situations. 

Chapter 7 

Make conclusions on the work. Indicate deficiencies and further work. 

(19)

 

       

 

 

 

 

 

Chapter 2 Power line channel characterization

 

 

 

 

 

 

 

(20)

2.1 Overview

Power  lines  were  initially  set  up  for  electric  power  transmission  in  the  frequency  range  between  50  and  60  Hz  and  data  transmission  through  power  line  was  first  launched by power distribution system to protect sections in case of faults. Since the  Internet has developed rapidly in last decades due to the very large scale integration  and digital signal processing achievements, power line communication is once more  concentrated  attentions  as  one  of  the  best  candidates  for  Internet  access. 

Researchers  have  made  a  large  amount  of  investigations  into  this  field  and  figured  out the power line channel has enough bandwidth for high‐speed data transmission  (above  2Mbps).  The  dominant  advantage  of  PLC  lies  in  the  general  deployment  of  power grid in household which makes it feasible to get access to Internet wherever  by  exploiting  existent  power  delivery  infrastructure  even  for  rural  or  remote  areas. 

However,  it  could  be  a  really  tough  work  confronted  with  a  number  of  problems. 

Generally, power line carrier provides a harsh environment for data transmission due  to three main issues:   

(1) Transmission attenuation 

The attenuation for power line has two main aspects: coupling attenuation and line  attenuation.  The  cause  for  coupling  attenuation  lies  in  the  mismatch  of  line  input  impedance  and  communication  modules,  which  can  be  enhanced  by  adjusting  the  communication module output impedance. 

As  for  line  attenuation,  since  power  line  is  generally  made  of  aluminum  or  other  kinds  of  good  conductors  of  which  the  resistance  are  rather  small  and  steady  for  signals with various frequencies, the main factor for this kind of attenuation rests on  the  complexity  of  electric  network  infrastructure  rather  than  the  resistance  of  the  lines and thus has a time‐varying characteristics brought  by plugging  in and pulling  out  the  electric  appliances.  Hence,  attenuation  of  power  line  transmission  significantly depends on line attenuation when the internal impedance of coupler is  made small. 

Moreover,  there  are  large  attenuations  between  three‐phase  power  line  channels  (about  10‐30dB).  Generally,  carrier signal  can  be  only  transmitted  along  power  line  with single phase, however, out‐phase signals can be received when communication  distance  is  short.  Different  ways  of  coupling  determines  the  attenuation  for  PLC  signals  and  cross‐phase  coupling  attenuation  is  about  10dB  larger  than  in‐phase  coupling. 

(2) Impedance mismatching 

The impedance characteristic for power line is rather important when employed as  communication medium since it concerns the efficiency of transmitter and receiver. 

Due  to  the  random  actions  of  plug‐in  and  pull‐out  of  the  electric  loads,  the  input  impedance tends to vary in a large degree in both time and position making it hard  for  the  receiver  to  have  a  matching  output  impedance  and  serious  reflection  is  brought in as a result. Reflection spots lead to the repeated reflections and multipath  transmission, in which the phase of signals from multipath of a certain frequency can 

(21)

be deviated just 180 degrees and thus counteracted. As a consequence, deep fading  happens  on  some  certain  frequencies  and  causes  the  frequency‐selective  characteristics for power line communication. 

(3) Noise effect   

The main kind of noise in power line channels is not additive Gaussian white noise; 

instead  it  is  likely  to  vary  rapidly  in  a  short  period  caused  by  all  kinds  of  electric  appliances  in  power  networks  which  may  have  a  disastrous  effect  for  data  transmission. In general, noise appear in power line communication includes colored  background  noise  and  impulse  noise  which  can  be  further  classified  into  five  categories and will be illustrated further in the subsequent session. 

As  in  most  occasions,  power  line  channel  should  also  be  expressed  by  the  combination of a channel model and noise. And in the later session, those two parts  will be discussed in detail respectively. 

  Figure 2‐1 Basic communication system model

2.2 PLC channel modeling

2.2.1 Introduction

Channel model is of paramount importance for any communication system since the  design  and  optimization  of  systems  have  to  be  matched  to  particular  channel  characteristics.  Generally,  performance  analysis  and  investigations  of  a  certain  transmission environment depend on the availability of accurate channel models that  are  commonly  recognized.  Since  power  line  provides  harsh  and  noisy  environment  for data transmission, models which effectively describing channel characteristics are  required and have been widely investigated in the recent decades among which two  approaches are top‐down and bottom‐up approach.   

The top‐down approach treats the PLC channels a black box, using echo models for  multi‐path  transmission  and  retrieves  the  corresponding  parameters  from  the  measurements.  The  method  is  easy  to  implement  and  requires  little  computation; 

moreover,  it  is  suitable  and  simple  for  computer  simulation.  However,  the  practical  applicability  of  this  approach  depends  on  the  empirical  accuracy  like  paramount 

(22)

fitting  methods.  Furthermore,  modeling  channel  is  not  capable  of  describing  and  reflecting the practical topology and the influence of loads, etc [8]. Researchers have  done a lot of investigations in both time domain [9] [10] and frequency domain [11]. 

As for the bottom‐up approach, channel modeling starts from obtaining parameters  by  theoretically  computation  according  to  network  components  including  lines  and  branches,  which  clearly  describes  the  relationship  between  network  behavior  and  model  parameters.  Besides,  the  bottom‐up  approach  is  more  versatile  and  flexible  with  regard  to  the  changes  in  network  topology  by  making  modifications  to  the  formulated  parameters  in  the  channel  model.  The  disadvantage  is  much  more  computation  is  required  compared  to  top‐down  approach  and  it  is  also  limited  to  theoretical  analysis.  For  the  mechanism  of  obtaining  transfer  function,  either  network matrix [12] approach or theory of transmission line (TL) [13] can be adopted.   

2.2.2 Zimmermann and Dostert model

As  mentioned  above,  since  power  grid  has  been  developed  into  a  multipurpose  medium  instead  of  a  pure  energy  distribution  network,  power  line  communication  has  drawn  much  attention  again.  In  particular,  modeling  of  PLC  channel  is  in  the  focus  of  various  research  activities.  In  contrast  with  several  modeling  proposals  which  were  impractical  using  bottom‐up  approach  with  limited  frequency  range,  Zimmermann and Dostert put forward a top‐down channel model in the year 2002 in  the  paper  “A  multipath  model  for  the  powerline  channel”  [14]  and  caused  a  sensation. In this approach, channel is described by the transfer function H(f) with a  frequency  range  of  500kHz  to  20MHz and  limited  parameters,  which  is  an  analytic  model suitable for computer simulation. 

At first, frequency response is expressed as: 

2 1

( ) N i ( , )i j f i

i

H f g A f d e  

       (2‐1) 

Herein,  N  is  the  number  of  dominant  path  to  reasonably  approximates  the  infinite  number of paths, gi is the weighting factor (a product of transmission and reflection  factors), A(f, di) indicates the attenuation by cables which increases with length and  frequency and i stands for the delay of a single path: 

0

i r i

i

d d

c v

(c0 is the speed  of  light,  di  is  the  length  of  cables  and  r  is  the  dielectric  constant).  Then  by  simplifying the propagation constant 

0 1

( )

( , ) ( )f d fk di

A f d e e          (2‐2)  The final version of the frequency response is given as:     

0 1 2 ( / )

( )

1

( ) N i fk di j f d vi p

i

H f g e   e

   (2‐3) 

There are three parts in total representing weighting factor, attenuation portion and 

(23)

delay portion respectively. To obtain the parameters in the formula, certain strategies  are  used  for  the  estimation  and  finally  the  accuracy  has  been  verified  in  the  measurement. Parameters for four‐path and fifteen‐path of the network are given in  the paper. [14] 

Table I parameters of the four‐path model 

Attenuation parameters  k = 1  a= 0  a= 7.8*10‐10s/m 

Path‐parameters 

g di/m  gi  di/m 

0.64  200  ‐0.15  244.8 

0.38  222.4  0.05  267.5 

The simulation result of 4‐path channel response is shown in the following according  to this modeling approach: 

Figure 2‐2(a) Frequency response of channel modeling      Figure2‐2 (b) Impulse response  Thanks to the simplification and applicability of this channel model, it will be used for  further  research  on  the  PLC  system  improvement  under  impulse  noise  in  later  chapters.  The  frequency  range  is  0‐25Mhz.  Parameters  and  simulation  results  are  also  given  in  their  paper  for  larger  numbers  of  path  modeling,  which  are  more  precise, presenting deep notches in certain spots, but to simplify N=4 is chosen for  the simulation.   

Moreover, there are some literatures attempting to make improvement on the basis  of  this  modeling  method  which  make  parameters  related  to  the  reflections  be  random according to certain statistics [15]. For example, let the weighting factor be a  product of a random sign flip and uniform distributed random variable with a range  of (0,1]. 

2.3 Noise for PLC channel

(24)

2.3.1 Brief introduction

Since the fact that noise in the power lines has rarely similar characteristics with the  common additive white Gaussian noise and is difficult to analyze, a large quantity of  studies have been conducted in this field including noise classification, the impulse  duration distribution, amplitude distribution and inter arrival time (IAT).   

Typical sources of noise presented at PLC channel can be either internal (inside the  power  grid)  such  as  fluorescents  and  brush  motors  or  external  (outside  the  power  grid) such as switching power supplies or dimmer switches. A detailed classification  of noise is described in the following [17]. 

(a) Colored  background  noise:  caused  by  the  summation  of  various  noise  sources  with rather low power. It has a relatively low power spectrum density (PSD) and  varies  with  frequency  (decreases  with  increasing  frequency).  Regarding  time,  it  varies slowly over time, remaining constant in terms of minutes or even hours. 

(b) Narrow‐band  noise:  mostly  consists  of  amplitude  modulated  sinusoidal  signals  caused  by  short  and  medium  wave  interference  from  broadcast  station.  The  interference level varies during different times of the day. 

(c) Periodic  impulse  noise  asynchronous  to  the  mains  frequency:  caused  by  switching power supplies on the network. The repetition rate is between 50 and  200 kHz. 

(d) Periodic  impulse  noise  synchronous  to  the  mains  frequency:  mainly  caused  by  switching actions of rectifier diodes found in many electrical appliances. 

(e) Asynchronous  impulse  noise:  caused  by  the  transient  in  the  power  grid  and  occurs  randomly.  This  type  of  noise  can  be  up  to  105  times  stronger  than  the  background noise.     

noise Colored background noise

Narrow‐band noise Periodic impulse noise  asynchronous to the mains  frequency

Periodic impulse noise  synchronous to the mains 

frequency

Asynchronous  impulse noise

channel +

  Figure 2‐3 Noise classification in power line channel

Generally,  as  for  the  first  two  types  of  noise,  since  the  root  mean  square  (RMS)  amplitudes vary slowly with time (minutes or hours), so that they can be summarized  as  background  noise.  While  for  the  latter  three  types,  they  can  be  categorized  as  impulse noise due to the rapid changing amplitude (microseconds or milliseconds). 

(25)

2.3.2 Noise modeling techniques for PLC

Since noise is hard to be modeling and characterized from theory analysis, most of  the  existing  noise  modeling  methods  are  based  on  empirical  measurements.  Noise  modeling  can  be  divided  into  time‐domain  and  frequency‐domain  approaches  according to measuring technique. Frequency‐domain approach is the measurement  in  terms  of  noise  frequency  spectrum  while  time‐domain  approach  measures  the  noise real value over time. 

For  background  noise,  frequency‐domain  approach  is  usually  employed.  To  obtain  both average noise spectrum and the corresponding randomness at each particular  frequency, background noise variation should be represented as probability density  function  (PDF)  with  statistical  method  after  fitting  PSD  of  the  measured  noise  into  some certain functions of frequency [18]. Proposed PDFs for promoted noise model  includes  “sum  of  two  Rayleigh”  distribution,  log‐normal  distribution  and  Gaussian  distribution [19]. 

On  the  other  hand,  impulse  noise  is  modeling  completely  by  measurement.  In  time‐domain  impulse  can  be  characterized  with  three  parameters:  amplitude,  impulse duration and IAT. From literatures noise models in time‐domain are based on  statistical  characteristics  of  these  three  parameters,  of  which  the  probability  distribution  are  gained  from  measurement  in  most  cases.  Some  researchers  proposed to characterize distributions for those parameters with partitioned Markov  chain,  in  which  the  transition  probability  metrics  are  derived  from  measurement  [20].   

Besides,  some  researchers  came  up  with  the  cyclo‐stationary  noise  model  to  characterize  the  summation  of  background  noise  and  impulse  noise.  However,  this  model is based on the assumption that most noise in power line channel change with  synchronization  of  half  cycles  of  the  supplying  power.  Furthermore,  several  other  researchers  directly  employ  the  “Class  A”  noise  raised  by  Middleton to  depict  the  impulse noise in terms of amplitude and interval distribution [21].  

2.3.3 Middleton Class A noise

In paper [21], Middleton put forward a canonical formula for noise representative of  both  natural  electromagnetic  (EM)  and  man‐made  interference  hugely  distinctive  from  Gaussian  behavior.  The  deviation  of  models  is  rather  mathematically  complicated and based on a series of work by others. Parameters of the model are  obtained  from  experimental  data  and  agreement  between  theory  and  experiment  inclusive of different types of noise has revealed the availability of this model. 

Owing  to  the  fact  that  this  noise  model  is  not  specifically  set  up  for  power  line  channel, its accuracy for modeling noise presented in power line is still inconclusive  to  some  extent.  However,  being  a  classic  model  employed  in  real‐world  EM  interference  over  the  years,  it  is  still  applicable  characterizing  noise  in  power  line. 

Hence, this noise model is selected for characterizing PLC environment together with 

(26)

the  channel  model  described  in  the  last  section  considering  the  manageable  and  canonical characteristics. And since power line channels belong to the Class A type,  expression and parameters are described as follows.  The phase character has been  proved  to  be  uniformly  distributed  in(0, 2 ) .  For  envelope  of  the  noise,  the  probability density function should be as follows: 

2/2 2 0 2

( ) !

m z m

A

m m

A z e p z e

m

,0 z         (2‐4)   

The  total  power  of  noise  2G2I2is  the  sum  of  Gaussian  noise  power  and  impulse noise power and herein  2 2 /

m 1

m A 

  . The noise model can be treat as  impulse  sources  of  Poison  distribution  eAAm/ !m   with  the  background  noise  of  Gaussian behavior when m=0. There are three parameters as follows. 

(a) Overlap index A: defined as the product of the average number of impulses per  second  and  the  mean  duration  of  that  emission.  With  a  small  A,  the  instantaneous noise characters mainly depend each individual event presenting  impulsive  behavior,  while  for  the  noise  with  a  large  A  value  its  properties  includes more statistic factors [21].   

(b) “Gaussian  factor” G2/I2:  with  G2and  2 Arepresenting  the  mean  power  of  Gaussian  component  and  impulse  component  of  the  input  interference  respectively,  Gaussian  factor  expresses  the  ratio  between  them.  When  both  A  and  are  small,  i.e.  A  being  0(  1,  2)  and   being  0(  1/2),  the  dominant  component should be the impulse part. 

(c) I2: intensity of the “non‐Gaussian” impulsive interference. 

According  to  the  conception  above  and  formula  (2‐4),  the  probability  density  for  noise envelop is as follows. The parameters employed here are A=0.35,    5 104  [21]. 

The factor  Am / !m   makes each term 

2 2

2

/ 2

!

m z

A m

m

A z e

e m

  decreases rapidly with the 

increasing  m.  Terms  should  be  summed  until  Am/ !m  is  not  larger  than  the  error  tolerance providing an accurate approximation. As can be seen in the following, since  terms with m>3 contributes very little to the whole probability density function curve,  m=3 is enough for most situations with a rather small value of A [22].   

(27)

Figure 2‐4 Normalized PDF terms with m=0‐4   Figure 2‐5 Normalized PDF for Class A noise  For better understanding of the noise model simulations with various parameters are  performed and compared in the Figure 2‐6(a) and (b). 

Figure 2‐6(a) Class A noise of various A      Figure 2‐6(b) Class A noise of various    For Figure 2‐6(a), the value ofis set  as 0.01 and value of A  varies from 1 to  3. As  mentioned  previous  the  parameter  A  can  be  treated  as  an  indicator  of  the  level  of 

“Gaussianness” for the noise distribution. When taking a small value, such as A=1 in  this case, the chances of high power noise emerging is small and the noise is more  dependent on those impulse which are difficult to handle. While with a larger A, such  as 3, high power impulse is more usual and behaves closer to Gaussian noise. 

For Figure 2‐6(b), the overlap index A is settled as 0.35 and the noise power radio  differentiates among 0.001, 0.01 and 0.1. Since  presents the power ratio between  Gaussian  noise  and  impulsive  noise,  with  a  largethe  total  power  is  more  concentrated in Gaussian part while when  is small, only a small portion of energy 

(28)

is attributed to Gaussian section. 

                                       

(29)

 

                   

Chapter 3 Key techniques of power line communications

                 

(30)

For  power  line  communication  systems,  the  most  serious  problems  that  affect  the  transmission quality are multipath fading and impulsive noise. Fading influence can  be  disposed  easily  for  signals  with  narrow  band,  but  for  those  having  rather  broad  band  inter‐symbol  interference  (ISI)  occur  as  a  consequence  of  frequency  selective  fading and lead to the rapid increase in bit error rate. Hence, channel self‐adaption  equalization  measures  have  to  be  adopted,  of  which  the  complexity  increases  with  the high demanding transmission rate. Fortunately, channel interference elimination  could also turn to a more advanced multi‐carrier modulation scheme‐OFDM, which  has been widely used in standards and practice.   

In  the  presence  of  impulse  noise,  OFDM  modulation  also  provides  an  advantage  since  the  energy  of  impulse  noise  is  evenly  spread  among  sub‐carriers  thus  decreasing the bit error rate. In the thesis, OFDM modulation is employed working  together with channel coding to provide good performance. 

3.1 OFDM modulation fundamental

The  traditional  ways  for  multi‐carrier  transmission  generally  take  advantage  of  the  non‐overlapping frequency division modulation (FDM), in which guard bands (fg) are  added  between  adjacent  carriers  so  as  to  reduce  interference  between  them. 

However,  the  guard  band  reduces  the  available  frequency  source  and  leads  to  a  waste.  Hence  OFDM  modulation  scheme  has  been  put  forward  and  significantly  improved  the  utilization  efficiency  of  frequency  spectrum  by  exploiting  multiple  orthogonal carries, of which the spectrum can be overlapped each other. 

As  for  OFDM  modulation  system  with  N  sub‐carriers,  each  sub‐channel  has  multi‐path  fading  respectively. However,  the  bit  rate for  each  sub‐carrier  is  just  the  1/N of that for single carrier with the same transmission rate, extending the symbol  period to N times larger than before. As a consequence, high‐rate transmission can  be achieved with satisfied transmission quality since the extended symbol period is  probably larger than the channel maximum time delay and thus reduces the ISI and  system  equalization  complexity.  Besides,  in  order  to  remove  the  influence  of  multi‐path, guard intervals (GI) are inserted in between each OFDM symbol for the  sake  of  ISI  by  being  made  larger  than  the  maximum  channel  time  delay.   

Unfortunately, the insertion of GI may introduce inter channel interference (ICI), thus  in order to keep the orthogonality between sub‐channels, cyclic prefix (CP) should be  bought in as the GI. In this way, channels become independent without the influence  of  ICI  or  ISI,  which  can  be  seen  as  non‐frequency  selective  respectively  though  the  whole  channel  is  a  selective  one.  At  the  receiver  side,  simple  frequency  equalizers  are capable of eliminating the effect of selective fading. 

The mechanism of OFDM is illustrated in the following picture: 

References

Related documents

However, to successfully teach culture, media literacy and intercultural competence through film, preparational as well as follow-up work are essential and the

It was concluded that bending stresses; due to wind loads on the support and especially on the conductors, are usually the critical aspect when designing standard power

A simulation of the beam was done that gives the progression beta and dispersion functions, statistical measurements of the particle distribution, through a part of the transfer

- The driver does not have to look far down. Warnings attract attention faster, since they are located higher up on the windscreen. The driver’s eyes will be on the road, most of

There were two proteins were labeled, Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA) and methyltransferase for lysine 9 of histone H3 (G9a) and In situ investigation techniques offered

Sampling the system (or, equivalently, generating a system sample) means to randomly assign a value, within the set of the possible values and according to the

The precise location of the instrument in each selected substation should be decided based on the availability of appropriate transducers (instrument transformers) allowing

As an example of the IP-meter a power line quality meter fully accessible over the Internet has been implemented.. The meter is capable of measuring line fre-