Analyses of a low-bit rate hybrid PLC-wireless single-relay channel

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.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.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio