MIMO techniques for the transmission and resource allocation in in-home Power Line ...

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by  Thanh Nhân Vo

MIMO techniques for the transmission and resource
allocation in in-home Power Line Communication
Thanh Nhân Vo
To cite this version:
ThanhNhânVo. MIMOtechniquesforthetransmissionandresourceallocationinin-homePowerLine
Communication. SignalandImageprocessing. TélécomBretagne;UniversitédeBretagneOccidentale,
2015. English. ￿NNT: ￿. ￿tel-01281415￿
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Submitted on 3 Mar 2016
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N° d’ordre : 2015telb0374
Sous le sceau de l’Université européenne de Bretagne
Télécom Bretagne
En habilitation conjointe avec l’Université de Bretagne Occidentale
École Doctorale – SICMA
MIMO TECHNIQUES FOR THE TRANSMISSION AND RESOURCE
ALLOCATION IN IN-HOME POWER LINE COMMUNICATION
Thèse de Doctorat
Mention : STIC – Science et Technologies Information Communication
Présentée par Thanh Nhan VO
Département : Signal et Communications
Laboratoire : Lab-STICC Pôle: CID
Directeur de thèse : Thierry CHONAVEL
Soutenue le 09 Décembre 2015
Jury :
• M. François-Xavier COUDOUX, Professeur, Université de Valenciennes (Rapporteur)
• M. Philippe CIBLAT, Professeur, Télécom ParisTech (Rapporteur)
• M. Stéphane AZOU, Professeur, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Brest (Examinateur)
• M. Pascal PAGANI, Maître de Conférences, Télécom Bretagne (Examinateur)
• M. Thierry CHONAVEL, Professeur, Télécom Bretagne (Directeur de thèse)
• M. Pierre SIOHAN, Expert Réseaux, Orange Labs (Encadrant)
• Mme. Karine AMIS, Maître de Conférences, Télécom Bretagne (Encadrante)

MIMO TECHNIQUES AND RESOURCE
ALLOCATION IN IN-HOME POWER
LINE COMMUNICATION SYSTEMS
Thanh Nhan VO
February 8, 2016

Remerciements
Il me sera tr`es difficile de remercier tout le monde car c’est grˆace a` l’aide de nom-
breuses personnes que j’ai pu mener cette th`ese a` son terme.
Mes remerciements s’adressent en premier lieu a` monsieur Thierry Chonavel, mon
directeur de th`ese. Je tiens `a lui exprimer ma profonde gratitude pour sa gentillesse,
sa patience, sa confiance et tous ses pr´ecieux conseils qui ont grandement contribu´e
a` l’accomplissement de ma th`ese. J’aimerais remercier ´egalement mes encadrants,
madame Karine Amis et monsieur Pierre Siohan pour un encadrement rigoureux tout
au long de ces ann´ees, tout en me donnant toutefois la possibilit´e de trouver par
moi-mˆeme mon cheminement personnel. Ils m’ont toujours accord´e g´en´ereusement le
temps n´ecessaire pour partager avec moi leurs id´ees et leur grande exp´erience. J’ai
particuli`erement appr´eci´e leur tr`es grande ouverture face `a ma condition d’un ´etudiant
´etranger et la confiance qu’ils ont su garder en ma capacit´e a` rendre ce projet a` terme.
Qu’ils trouvent ici l’expression de ma profonde gratitude.
J’aimerais tr`es vivement remercier les rapporteurs, monsieur Philippe Ciblat et
monsieur Fran¸cois-Xavier Coudoux, pour le temps qu’ils ont consacr´e `a lire et a` cor-
rigermontravail.J’exprimetoutemareconnaissancepourleursremarquesetleurscom-
mentaires qui ont nettement am´elior´e la qualit´e de mon manuscrit. Merci ´egalement a`
monsieur Pascal Pagani et monsieur St´ephane Azou de me faire l’honneur de participer
a` mon jury.
Jesuisvraimentcontented’avoirv´ecutouscesmerveilleuxmomentsaud´epartement
Signal et Communication a` T´el´ecom Bretagne. Voici venu le temps de dire un grand
MERCI `a tous mes coll`egues extraordinaires que j’aime tant!
J’appr´ecie du fond du coeur l’amiti´e que nous avons construite entre les doctorants
du laboratoire. Je vous souhaite beaucoup de r´eussite pour votre th`ese, plein de succ`es
et un immense bonheur dans la vie.
Je tiens ´egalement a` adresser un remerciement `a mon professeur fran¸cais, monsieur
Andr´e Le Saout, pour non seulement ses cours francais sympathiques int´eressants mais
aussi ses conseils pour des pr´esentations orales ainsi que la soutenance.
Mes prochains remerciements vont a` tous mes amis pour leurs encouragements et
i
ii REMERCIEMENTS
leurs soutiens pendant tout au long de cette th`ese.
Enfin,jetiensa`remerciermafamille,surtoutmesparentseta`mafemme,Hienquia
toujours´et´e pr´esent´ee et a toujours su trouver le moyen de me remonter le moral quand
j’en avais besoin : ’Merci ma ch´erie pour tout ce que tu as fait pour moi’. Les mots me
manquent pour remercier, `a sa juste valeur, pour ses soutiens moral et psychologique
indispensables pour aboutir cette th`ese.
Merci `a tous et a` toutes.
Contents
Remerciements i
Table of contents vi
Abbreviations vii
Notations ix
List of figures xiv
List of tables xvi
Abstract xvii
R´esum´e xxi
1. PLC: State-of-art 1
1.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Classification, major players, projects and standard . . . . . . . . . . . 2
1.2.1. Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2. Major players . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3. Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.4. Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3. In-home SISO PLC characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1. SISO PLC channel model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2. SISO PLC noise model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.3. Colored background noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
iii
iv CONTENTS
1.4. Introduction to MIMO-PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.1. MIMO-PLC Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.2. MIMO PLC channel model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.3. MIMO PLC noise model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5. Contributions to PLC channel and noise characterization . . . . . . . . 18
1.5.1. SISO-PLC channel classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.2. SISO-PLC noise modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.3. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2. Inter-symbol and inter-carrier interference analysis in In-home PLC
systems 29
2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2. Conventional OFDM versus Windowed-OFDM . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1. OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2. Windowed-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3. Interference Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.1. Interference calculation in SISO-PLC systems . . . . . . . . . . 35
2.3.2. Interference calculation in MIMO-PLC systems . . . . . . . . . 38
2.3.3. Influence of interference on the capacity in MIMO-PLC systems 40
2.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Appendix A. Calculation of Ψ 46
IN
3. Optimal Bit-Loading Algorithm for PLC systems without interference 48
3.1. State-of-the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2. Rate maximization problem in OFDM systems with peak-power con-
straints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.1. Rate maximization problem and existing algorithms . . . . . . . 50
3.2.2. Hybrid approach between the Z-GBA and M-GBR algorithms . 52
3.2.3. A new low-complexity loading algorithm: Theoretical analysis
and implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.4. Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64