Bina içi enerji hattı iletişiminde yeni bir kanal modeli için sistem performansının incelenmesi
Investigation of the system performance in indoor power line communication systems for a new channel model
Yazar: YASİN KABALCI
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM DEVELİ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Enerji hattı iletişimi (EHİ), telekomünikasyon ve akıllı şebeke sistemlerinde son zamanlarda büyük önem kazanmış bir konudur. EHİ sistemleri; ses, resim, internet gibi farklı türlerdeki mesaj işaretlerinin mevcut enerji hatları üzerinden iletimini amaçlamaktadır. Diğer kablolu iletişim sistemleri ile karşılaştırılırsa, EHİ sistemlerinin sağladığı en büyük avantaj bu sistemler için yeni bir kanal ortamı kurulumunun gerekmemesidir. Diğer taraftan, enerji hattı ağları üzerinde çalışan kararlı bir iletişim sistemi kurabilmek için öncelikle enerji hatlarının karakteristik özelliklerinin çok iyi araştırılması ve enerji hattı kanalının (EHK) olabildiğince doğru şekilde tanımlanması gerekmektedir. 

Bu tez çalışmasında, öncelikle Canete EHK modeli üzerinden veri iletimi gerçekleştiren düşük yoğunluklu eşlik denetim (LDPC) kodlamalı dikgen frekans bölmeli çoğullama (OFDM) sistemlerinin bit hata oranı (BHO) başarımları analiz edilmiştir. Ayrıca, bu analizlerde yumuşak ve sert kararlı LDPC kod çözücü yapıların sistem başarımı üzerindeki etkileri farklı kod uzunlukları ve kod oranları da göz önünde bulundurularak detaylı bir şekilde incelenmiştir. Elde edilen BHO başarım sonuçlarından yumuşak kararlı kanı yayılım (Belief Propagation, BP) kod çözücülerin tüm kanal senaryolarında en iyi başarımı sergiledikleri görülmüştür. Ardından, ulusal ölçekte bina içi EHK'nin tanımlanmasına yönelik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Farklı konum ve ortamlara uygun, genel bir EHK modeli önerebilmek için farklı illerde (Kayseri ve Niğde illerinde) ve üniversite laboratuvarı, ofis, ev gibi değişik alanları kapsayan bina içi ortamlarda uzun süreli pratik kanal ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Deneysel ölçümler gerçekleştirilirken bina içi geniş bant EHİ standardı olan TS EN 50561-1 standardı temel alınmıştır. Ulusal ölçekli EHK modeli, kanal ölçüm sonuçlarına eğri uydurma yöntemleri uygulanarak tanımlanmış ve elde edilen matematiksel ifadenin katsayıları genetik algoritma ve yapay arı koloni algoritması gibi iki güçlü esnek hesaplama yöntemi ile belirlenmiştir.

Ulusal ölçekte bina içi EHK modeli tanımlandıktan sonra bu kanal değişimi üzerinden veri ve resim iletiminin gerçekleştirilmesi üzerine çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalarda ilk olarak, LDPC kodlamalı OFDM sistemin önerilen EHK üzerindeki resim iletim başarımları incelenmiştir. Bu analizlerde kodlamasız ve kodlamalı OFDM sistemleri için elde edilen başarım sonuçları karşılaştırılmış, LDPC kodları sayesinde pratik bir EHK senaryosu üzerinden hem yüksek kalitede görüntü iletiminin sağlanabileceği hem de sistem başarımının oldukça iyileştirilebileceği görülmüştür. Son olarak, güvenlik amacıyla enerji üretim merkezlerinin ve üretim miktarlarının anlık değişimlerinin izlenilmesini sağlayan sözde çevrimsel (QC)-LDPC kodlamalı OFDM sistemleri kullanan bir uzaktan izleme sistemi önerilmiştir. Bu sistemin veri ve resim iletimine ait başarımlarının kapsamlı bir şekilde incelenebilmesi için analizlerde hem farklı mesaj türleri (veri ve resim) hem de çeşitli kod oranlarına sahip farklı QC-LDPC kodları kullanılmıştır. Kodlamasız OFDM sistemleri yerine QC-LDPC kodlamalı OFDM sistemlerinin kullanılması durumunda hem veri hem de resim iletiminde sistem başarımının üstün şekilde iyileştirilebildiği görülmüştür.

Abstract:
Power line communication (PLC) systems have recently received a great deal of attention in the field of communication and smart grid systems. The PLC technologies aim to transmit any type of information such as voice, image and internet over existing power lines. When it is compared to the other wire-line communication systems, the most important advantage of the PLC is not to require any extra cost for installing a new channel medium. On the other hand, investigation of power line characteristics and defining PLC channel as accurately as possible is required in order to establish a reliable communication system works over power line networks. 

In this thesis, bit error rate (BER) performances of low-density parity-check (LDPC) coded orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) systems are firstly analyzed over Canete PLC channel model. In these analyses, effects of soft and hard decision LDPC decoders on the system performance are also investigated by considering different code lengths and rates in detail. The BER results obtained show that Belief Propagation (BP) decoder scheme, which is a soft decision decoder, outperforms in all PLC channel scenarios. After these analyses, different studies are performed to define an indoor PLC channel model in national scale. Long-term practical channel measurements are realized in different cities (Kayseri and Nigde) and various indoor places such as university laboratory, office and home in order to achieve a general and appropriate PLC channel model for different locations and environments. Experimental measurements are carried out with respect to TS EN 50561-1 standard, which is a standard for broadband indoor PLC systems. The PLC channel model is defined by applying curve fitting methods to the channel measurement results and coefficients of derived mathematical expression is determined by two powerful soft computing techniques such as genetic algorithm and artificial bee colony algorithm.

After indoor PLC model defined on a national scale, several studies are performed for implementing data and image transmission over this channel. In these studies, image transmission performances of the LDPC coded OFDM systems are firstly examined in the proposed PLC channel. When results obtained for uncoded and coded OFDM systems are compared, it is shown that high quality image transmission can be provided over a practical PLC channel and system performance can be significantly improved through LDPC coding. Finally, a remote monitoring system which is based on quasi-cyclic (QC)-LDPC coded OFDM is proposed for monitoring both energy generation centers for security purposes and instantaneous variations of production quantities. In order to realize a comprehensive analysis for proposed system in terms of data and image transmission, different message types and QC-LDPC codes with various code rates are considered in the analyses. When the QC-LDPC coded OFDM system is utilized rather than uncoded OFDM system, it is shown that significant performance improvement can be achieved for both data and image transmission.