Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-03-23T12:51:48Z No. of bitstreams: 1 vinciuslagrotarodriguesdacosta.pdf: 1396401 bytes, checksum: cb024a49d0816c8df51709de3243f9be (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-03-23T13:03:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 vinciuslagrotarodriguesdacosta.pdf: 1396401 bytes, checksum: cb024a49d0816c8df51709de3243f9be (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-23T13:03:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 vinciuslagrotarodriguesdacosta.pdf: 1396401 bytes, checksum: cb024a49d0816c8df51709de3243f9be (MD5) Previous issue date: 2017-12-15 / Esta dissertação descreve o protótipo de um transceptor banda estreita (narrowband - NB) hybrid power line communication (PLC)/Wireless (NB hybrid PLC/Wireless), o qual utiliza a rede de energia elétrica e o ar, em paralelo, para transmissão de dados, visando aplicações de redes inteligentes (smart grid - SG) e Internet das Coisas (Internet of Things - IoT). Nesse protótipo é introduzida uma versão aprimorada e adaptada do padrão IEEE 1901.2, contemplando a subcamada de controle de acesso ao meio (medium access control - MAC) e da camada física (physical - PHY) para transmissão de dados por ambos os meios de comunicação. O aprimoramento é baseado no uso da transformada de Hilbert para a recuperação da informação em quadratura em ambos os canais, possibilitando a estimação do desvio de frequência entre os clocks do transmissor e do receptor. Uma das adaptações no padrão IEEE 1901.2 é a introdução do protocolo de roteamento, o qual possibilita o transceptor a se comunicar com nós a dois ou mais saltos de distância entre eles. A outra adaptação é a implementação de uma técnica de correção de pacotes com erro a nível de camada de enlace, a qual combina os pacotes com erros recebidos pelas interfaces PLC e/ou wireless e corrige-os, dentro de uma certa capacidade. Importante ressaltar que o transceptor NB hybrid PLC/Wireless é capaz de interoperar com o transceptor NB PLC baseados no padrão IEEE 1901.2. O protótipo do transceptor NB hybrid PLC/Wireless é implementado usando um dispositivo field-programmable gate array (FPGA) usando uma linguagem descritiva de hardware (hardware description language - HDL), buscando-se a economia de recursos de hardware. Os resultados numéricos discutem o tempo necessário para execução da técnica de correção de pacotes com erros, levando em consideração as restrições de tempo do padrão IEEE 1901.2. Além disso, uma análise de taxa de dados na camada PHY mostra que a implementação está de acordo com o padrão IEEE 1901.2 e pode perfeitamente satisfazer as necessidades de aplicações para SG e IoT. Ademais, a análise do uso de recursos de hardware e do consumo de energia mostram que o protótipo do transceptor NB hybrid PLC/Wireless demanda menos que uma vez e meia os recursos de hardware e o consumo de energia do protótipo do transceptor NB PLC. / This thesis focuses on a prototype of the so-called narrowband (NB) hybrid power line communication (PLC)/Wireless transceiver, which jointly uses power line and wireless channels, in parallel, for data communication related to smart grid (SG) and Internet of Things (IoT) applications. To build the prototype, it is introduced an enhanced and adapted version of the IEEE 1901.2 Standard to implement the medium access control (MAC) sublayer and the physical (PHY) layer to transmit data through both channels. The enhancement is based on the use of the Hilbert transform to recover the quadrature information from both channels, enabling to estimate the frequency deviation between the transmitter and receiver’s clocks. One adaptation in the IEEE 1901.2 Standard is the introduction of a routing protocol, which enables the transceivers to communication with nodes two hops or farther from each other. The other adaptation is the implementation of a packet error correction technique at the link layer level, which combines packets with errors received from PLC and wireless media and correct them, under certain constraint. Moreover, relevant is the fact that the NB hybrid PLC/Wireless transceiver is compatible with the NB PLC transceiver based on the IEEE 1901.2 Standard. The NB hybrid PLC/Wireless transceiver prototype is implemented in a field-programmable gate array (FPGA) device and details about the implementation, using a hardware description language (HDL), are provided, highlighting the pursuit of hardware resource savings. Numeric results discuss the time analysis of the packet error correction technique, calculating its maximum capacity of correction taking into account the IEEE 1901.2 Standard time constraints. Furthermore, a PHY layer data-rate analysis shows that the implementation agree with the IEEE 1901.2 Standard and can perfectly satisfy the needs of SG and IoT applications. In addition, the hardware resource usage and power consumption analysis show that the NB hybrid PLC/Wireless transceiver prototype demands less than one and a half times the hardware resource usage and power consumption of the NB PLC transceiver prototype.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-07-19T18:40:00Z No. of bitstreams: 1 victorfernandes.pdf: 1092306 bytes, checksum: 4a32aa04ed1256ce18768180de089629 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-08-09T12:20:45Z (GMT) No. of bitstreams: 1 victorfernandes.pdf: 1092306 bytes, checksum: 4a32aa04ed1256ce18768180de089629 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-09T12:20:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 victorfernandes.pdf: 1092306 bytes, checksum: 4a32aa04ed1256ce18768180de089629 (MD5) Previous issue date: 2017-02-23 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Essa dissertação tem por objetivo mostrar os benefícios em termos de desempenho e confiabilidade de um modelo de canal híbrido de baixa taxa de dados que pode ser aplicado a smart grids e internet das coisas. Esse modelo é chamado de hybrid power line communication-wireless single-relay channel (HSRC), que consiste do uso paralelo e mútuo dos modelos single-relay channel baseado em transmissão de dados via rede elétrica e sem fio. Para mostrar os benefícios do mesmo, foi considerado que a posição do nó de retransmissão é variável, também foi assumida alocação de potência uniforme e ótima sob restrição de potência, bem como o uso de dois protocolos de cooperação: amplify-andforward (AF) e decode-and-forward (DF). Além disso, essa dissertação discute o modelo HSRC incompleto, que é caracterizado pela perda de um enlace de comunicação de dados ou uma interface de comunicação de um nó no modelo HSRC. Primeiramente, foi apresentada a formulação matemática no que tange a taxa de dados ergódica e probabilidade de outage dos dois modelos mencionados. Em seguida, foi realizada a análise numérica dos mesmos. Por fim, os resultados numéricos foram analisados e mostraram que tanto o HSRC quanto o HSRC incompleto têm performance melhores do que o single-relay channel baseado em transmissão de dados via rede elétrica ou sem fio para todas as posições do nó de retransmissão e protocolos de cooperação considerados. Também, os resultados mostraram que a posição relativa entre os nós de fonte, destino e de retransmissão impactam significativamente na taxa de dados ergódica bem como na probabilidade de outage. Ainda, foi mostrado o impacto da perda de cada enlace de comunicação de dados ou interface de comunicação de um nó (HSRC incompleto) quando a posição relativa do nó de retransmissão muda. Por último, é mostrado que a diferença de desempenho entre os protocolos de cooperação AF e DF reduz quando o modelo HSRC é utilizado e que a melhor posição para o nó de retransmissão é entre os nós fonte e destino em termos de taxa de dados ergódica. / This dissertation aims at discussing improvements of performance and reliability of lowbit rate data communication technologies applied to smart grids and internet of things. In this regard, a comprehensive analysis of the ergodic achievable data rate and the outage probability of the so-called low-bit rate hybrid power line communication-wireless singlerelay channel (HSRC) model, which jointly and in parallel uses power line and wireless channels for data transmission, is presented. In order to highlight the benefits of such hybrid channel model for the target applications when the relative position of relay node changes, optimal and uniform power allocations under sum power constraint, amplifyand-forward (AF) and decode-and-forward (DF) cooperative protocols are taken into account. Moreover, this dissertation discusses the so-called incomplete HSRC which is characterized by the loss of one data communication link or node communication interface in a HSRC. Numerical results show that the HSRC and incomplete HSRC remarkably outperform power line or wireless single-relay channels for all considered positions of the relay node and the chosen cooperative protocols. Furthermore, these results show that the relative distances among source, relay and destination nodes significantly impact the achievable data rate and outage probabilities. In addition, the impact of each missing data communication link or node communication interface (incomplete HSRC) when the relay position, relative to source and destination nodes, changes is quantified. Finally, but not the least, it is shown that the performance difference between AF and DF protocols reduces when the HSRC model is taken into account and that the best relay position is in the middle between source and destination nodes.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-04-18T18:31:55Z No. of bitstreams: 1 mateusdelimafilomeno.pdf: 952346 bytes, checksum: 0eb883e1ceabb6c297f58be445761d84 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-04-19T13:28:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 mateusdelimafilomeno.pdf: 952346 bytes, checksum: 0eb883e1ceabb6c297f58be445761d84 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-19T13:28:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 mateusdelimafilomeno.pdf: 952346 bytes, checksum: 0eb883e1ceabb6c297f58be445761d84 (MD5) Previous issue date: 2018 / Esta dissertação tem como objetivo discutir as comunicações cooperativas híbrida e não híbrida aplicadas a sistemas de comunicação de dados em banda larga e em ambientes residenciais. Nesse sentido, o modelo de canal com retransmissor único em dois estágios é investigado para sistemas de comunicação em banda larga através da rede de energia elétrica. Este modelo de canal cooperativo é formado pela concatenação de dois canais com retransmissor único, cobrindo enlaces de comunicação de dados com até dois saltos. Além disso, um modelo de canal híbrido com retransmissor único, utilizando rede elétrica e ar, é analisado para sistemas de comunicação de dados em banda larga em que enlaces de até um salto são considerados. Expressões de taxas de dados alcançáveis ergódicas são derivadas para os modelos de canais cooperativos híbridos e não híbridos, a fim de compará-los. Devido às características de canais e ruído das redes de energia elétrica, os resultados numéricos são baseados em um conjunto de dados constituído por estimativas de canais e medições de ruído cobrindo a faixa de frequência de 1, 7 a 100 MHz e diferentes posições do nó retransmissor. Para os canais sem fio, o modelo HIPERLAN/2 com a mesma largura de banda é utilizado, considerando uma freqüência central de 5 GHz, enquanto o ruído aditivo é considerado branco gaussiano. Com relação aos sistemas de comunicação através da rede energia elétrica, mostra-se que o modelo de canal com retransmissor único em dois estágios é a melhor opção quando o enlace da fonte ao destino encontra-se severamente degradado (por exemplo, alta atenuação de sinal devido à longa distância entre nós fonte e destino e/ou presença de ruído de alta potência). Quando a degradação do canal não é acentuada, o modelo de canal de dois saltos é mais apropriado. Acerca dos sistemas híbridos, constata-se que, quando o retransmissor está no meio do caminho entre fonte e destino, o modelo de canal híbrido com retransmissor único apresenta o melhor desempenho em termos de taxa de dados alcançável ergódica, enquanto o modelo de canal híbrido de um salto oferece os melhores resultados para outros casos. / This dissertation aims to discuss hybrid and non-hybrid cooperative communications applied to in-home broadband data communication systems. In this sense, the two-stage single-relay channel model is investigated for in-home broadband power line communication systems. This cooperative channel model consists of the concatenation of two single-relay channels, covering data communication links with up to two hops. Moreover, a hybrid power line/wireless single-relay channel model is analyzed for broadband data communication systems, considering one-hop links. Ergodic achievable data rate expressions are derived for both hybrid and non-hybrid cooperative channel models in order to compare them. Due to channel and noise characteristics of electric power grids, numerical results are based on a data set constituted by power line channel estimates and additive noise measurements covering the frequency band from 1.7 up to 100 MHz and different relay positions. For wireless channels, the HIPERLAN/2 model with the same bandwidth is used, but at a central frequency of 5 GHz, while the additive noise is considered to be Gaussian white. Regarding only power line communication systems, it is shown that the two-stage single-relay channel model is the best option when the source-to-destination link is severely degraded (e.g., high signal attenuation due to the long distance between source and destination nodes and/or high-power noise presence). When the channel degradation is not severe, the two-hop channel model is more appropriate. Concerning hybrid systems, it is observed that, when the relay is halfway between source and destination nodes, the hybrid single-relay channel model presents the best performance in terms of ergodic achievable data rate, while the hybrid one-hop channel model yields the best results for other cases.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2015-12-16T14:08:06Z No. of bitstreams: 1 michellesoarespereira.pdf: 4441399 bytes, checksum: 19c7a2a01a8d195e44aa21afaacc4de5 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2015-12-16T15:15:37Z (GMT) No. of bitstreams: 1 michellesoarespereira.pdf: 4441399 bytes, checksum: 19c7a2a01a8d195e44aa21afaacc4de5 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-12-16T15:15:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 michellesoarespereira.pdf: 4441399 bytes, checksum: 19c7a2a01a8d195e44aa21afaacc4de5 (MD5) Previous issue date: 2015-05-29 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho aborda a análise de protocolos de cooperação para melhorar o desempenho de sistemas powerline communication (PLC). O estudo se baseia em um conjunto de dados de canais PLC in-home. As análises discutidas abordam a capacidade teórica do canal quando protocolos amplify-and-forward (AF) e decode-and-forward (DF) são considerados. Estudos similares são realizados a respeito da taxa máxima de dados adquirida quando Hermitian − symmetric orthogonal frequency division multiplexing (HS-OFDM) juntamente com as técnicas equal gain combining (EGC), selection combining (SC) and maximal ratio combining (MRC) são considerados. Além disso, são analisadas as influências da largura de banda de freqüência e da alocação ótima e uniforme da potência de transmissão. Os resultados obtidos mostram que a distância relativa entre os nós da fonte, relay e destino impactam severamente no desempenho do sistema. Os resultados numéricos revelam uma gama de potência de transmissão ótima e de frequência em que a melhoria pode ser verificada. Tambà c m observa-se que a vantagem do protocolo DF relacionada com a do protocolo AF termina quando o erro de detecção de símbolo no relay atinge um limiar. Adicionalmente, mostra-se que as técnicas de combinação, MRC e SC apresentam resultados semelhantes. Embora MRC ofereça desempenho ligeiramente melhor, considerando a complexidade computacional, recomenda-se a técnica SC. Finalmente, uma análise de máxima taxa de dados adquirida, considerando HS-OFDM com equalização baseada nos critérios zero forcing e minimum mean square error, mostra que o primeiro oferece quase o mesmo desempenho que o último. / This work focuses on analyses of cooperative protocols to enhance the performance of in-home power line communication (PLC) systems based on a data set consisting of measurements of in-home PLC channels. The discussed analyses address theoretical channel capacity when amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) protocols are considered. Similar investigations are performed for the maximum data rate attained by using Hermitian-symmetric orthogonal frequency division multiplexing (HS-OFDM) together with equal gain combining (EGC), selection combining (SC) and maximal ratio combining (MRC) techniques. Also, the influences of optimally and uniformly allocated transmission power and frequency bandwidth are analyzed. The attained results show that the relative distance among source, relay, and destination nodes severely impacts the system performance. Also, numerical results reveal a range of optimal transmission power and frequency bandwidth in which improvement can be verified. Moreover, it is observed that the advantage of the DF protocol related to AF one ends, when the symbol detection error achieves a threshold. Additionally, it is shown that among the combining techniques, MRC and SC present similar results with MRC offering slightly better performance, but considering computational complexity, a decision in favor of SC is recommended. Finally, a maximum data rate analysis of HS-OFDM with frequency domain equalizer based on zero forcing and minimum mean square error shows that the former scheme offers almost the same performance as the latter.