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Type: Dissertação
Title: Resource allocation and finite block length regime
Author: Coutinho, Yan Furtado
First Advisor: Ribeiro, Moisés Vidal
Co-Advisor: Colen, Guilherme Ribeiro
Referee Member: Martins, Wallace Alves
Referee Member: Bessa dos Santos, Alexandre
Resumo: Essa dissertação tem como objetivo introduzir versões melhoradas da técnica Temporal Compressive Resource Allocation, a qual é utilizada para alocação de recursos (bits e potência de transmissão) em sistemas de comunicação de dados multiportadora para aplicação em comunicação via rede de energia elétrica e discutir o regime de blocos de comprimento finito em sistemas de comunicação digital de dados monoportadora, quando o receptor não tem conhecimento da potência de transmissão e pode não conhecer o canal de comunicação. Nesse sentido, primeiramente é formulado o problema de alocação de recursos e é feita uma revisão da técnica original, ressaltando os pontos favoráveis da técnica e as melhorias sugeridas. As melhorias propostas são realizadas através da introdução de duas mudanças que aumentam a eficácia do processo de alocação de recursos quando a maximização da taxa de dados é almejada. A primeira mudança refere-se ao uso da razão sinal-ruído mínima de cada grupo de microslots para evitar picos na taxa de erro de símbolo em alguns microslots associados à componente fundamental nas redes de energia elétrica. A segunda mudança impõe o uso da matriz de razão sinal-ruído normalizada para estimar a correlação entre os microslots, uma vez que é considerado um parâmetro mais confiável para fornecer esse tipo de informação por ser resultado de menor processamento. Resultados numéricos, baseados em uma comparação entre a versão melhorada parcial, uma versão melhorada completa e a técnica original, mostram que ambas as versões aprimoradas são capazes de atender o limite superior da taxa de erro de símbolo com penalidade de perda de taxa de dados reduzida em comparação com a técnica original. Além disso, é possível perceber que o uso da matriz de razão sinal-ruído normalizada resulta em maior redução da complexidade computacional. Em seguida, é formulado o problema da transmissão de dados por blocos de comprimento finito em sistemas de comunicação digital de dados monoportadora em um cenário no qual o receptor deve estimar as potências de transmissão e do ruído aditivo considerando blocos de símbolos de comprimento finito, o que gera aleatoriedade no cálculo da razão sinal-ruído no receptor. Para contornar este problema, é proposto o uso de um fator de gap extra para minimizar o impacto de tal aleatoriedade e avaliar estatisticamente as consequências do uso de blocos de comprimento finito modelando uma variável aleatória quando são consideradas as constelações 푀-QAM e 푀-PAM. Análises numéricas mostram que, quando o receptor conhece o canal de comunicação, valores elevados do fator de gap extra são necessários para garantir a comunicação de dados confiável. Por outro lado, quando o canal de comunicação é desconhecido pelo receptor, blocos de comprimentos maiores ou maiores valores do fator de gap extra são cruciais para garantir a confiabilidade da comunicação de dados, especialmente na presença de um dispositivo malicioso, o qual é capaz de ouvir o sinal transmitido entre dois nós legítimos pertencentes à rede de dados.
Abstract: This thesis aims to introduce enhanced versions of the Temporal Compressive Resource Allocation technique, which is used for resource allocation (bits and transmission power) in multi-carrier data communication systems for application in Power Line Communication and to discuss the finite block length regime in single-carrier digital data communication systems when the receiver is unaware of the transmission power and may be unaware of the communication channel. In this sense, the resource allocation problem is first formulated and a review of the original technique is shown, highlighting the favorable points of the technique and the possible suggested enhancements. Thus, the proposed enhancements are accomplished through the introduction of two changes that increase the effectiveness of the resource allocation process when the maximization of the data rate is desired. The first change refers to the use of the minimum signal-to-noise ratio of each set of microslots to avoid peaks in the symbol error rate in some microslots associated with the mains frequency in electrical power networks. The second change imposes the use of the normalized signal-to-noise ratio matrix to estimate the correlation between microslots since it is considered a more reliable parameter to provide this type of information because it is the result of less processing. Numerical results, based on a comparison between the partial enhanced version, a complete enhanced version, and the original technique, show that both enhanced versions are able to guarantee the symbol error rate upper bound with reduced data rate penalty compared to the original technique. In addition, it is possible to notice that the use of the normalized signal-to-noise ratio matrix results in a greater reduction in computational complexity. In the sequel, the problem of data transmission through blocks of finite length is formulated in single-carrier digital data communication systems in a scenario in which the receiver must estimate the transmission power and the additive noise power considering blocks of symbols of finite length, which generates randomness in the calculation of the signal-to-noise ratio at the receiver. To circumvent this problem, it is proposed the use an extra gap factor to minimize the impact of such randomness and to statistically evaluate the consequences of using blocks of finite length by modeling a random variable when considering the 푀-QAM and 푀-PAM constellations. Numerical analyses show that when the receiver is aware of the communication channel, high values of the extra gap factor are necessary to ensure reliable data communication. On the other hand, when the communication channel is unknown by the receiver, blocks of greater lengths or greater values of the extra gap factor are crucial to ensure the reliability of data communication, especially in the presence of a malicious device, which is capable of overhearing the signal transmitted between two legitimate nodes that belong to the data network.
Keywords: Comunicação via rede de energia elétrica
Alocação de recursos
Blocos de comprimento finito
Probabilidade de erro de símbolo
Power line communication
Resource allocation
Finite block length
Symbol error probability
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
DOI: https://doi.org/10.34019/ufjf/di/2021/00071
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/12782
Issue Date: 24-Mar-2021
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