Multichirp code division multiple access for smart grids and internet of things

This work outlines important characteristics of hybrid power line communication (PLC)/wireless data communication system for smart grid (SG) and Internet of Things (IoT) applications. Moreover, it discusses the hybrid systems advantages in comparison to non-hybrid ones. These advantages are demonstrated not only in the technical point of view but also in the infrastructural perspective. Also, this thesis highlights a connec-tion between the capillarity of IoT and the communication infrastructure provided by SG as well as the security aspects that relate SG and IoT context. Furthermore, this work addresses the environmental influence on wireless and power line communications. In another hand, there is a huge research effort regarding advanced data communication technologies considering both low bit rate IoT and SG applications in order to comply with the requirements to design telecommunications systems. Aiming to maximize the use of the available bandwidth for PLC applications, this thesis makes use of the orthog-onal chirp division multiplexing (OCDM) scheme that uses discrete Fresnel transform in an analogous fashion as discrete Fourier transform. Previous works showed interesting performance results for such scheme in passband applications (e.g., wireless, optical fiber, and underwater acoustic media). This work addresses the design of versions of the OCDM scheme that can allow the data communication using baseband signals, making possible the application of the OCDM scheme in PLC systems. Furthermore, it introduces a mul-tiuser based scheme termed multichirp code division multiple access (MCp-CDMA), which is a combination of CDMA and OCDM, in order to accommodate a large number of nodes and end-points aiming narrowband PLC that is also suitable for SG and IoT applications. Finally, numerical results point out that for a hard and noisy environment, OCDM scheme is able to soften the impulsive noise effect. Also, OCDM scheme demonstrated outstand-ing results when the channel length is unknown comparatively to Hermitian symmetric orthogonal frequency division multiplexing and single carrier-cyclic prefix schemes. The simulations using the MCp-CDMA scheme demonstrated great stability and performance consistency among the different scenarios analyzed.Este trabalho descreve características importantes de um sistema híbrido power line communication (PLC)/comunicação sem fio para aplicações smart grid (SG) e Internet das coisas (IoT). Além disso, discute as vantagens dos sistemas híbridos em comparação com os sistemas não híbridos. Estas vantagens são demonstradas não somente do ponto de vista técnico, mas também pela perspectiva de infraestrutura. Além disso, esta dissertação destaca uma conexão entre a capilaridade do IoT e a infraestrutura de comunicação fornecida pelo SG, bem como os aspectos de segurança que relacionam o contexto SG e IoT. Além disso, este trabalho aborda a influência do meio ambiente nas comunicações de rede elétrica e sem fio. Por outro lado, existe um enorme esforço de pesquisa em relação às tecnologias avançadas de comunicação de dados, considerando tanto as aplicações IoT de baixa taxa de bits quanto as aplicações SG, de modo a cumprir os requisitos de projeto para sistemas de telecomunicações. Com o objetivo de maximizar o uso da largura de banda disponível para aplicações PLC, esta dissertação faz uso do esquema orthogonal chirp division multiplexing (OCDM) que usa a transformada discreta de Fresnel de forma análoga à transformada discreta de Fourier. Trabalhos anteriores mostraram resultados de desempenho interessantes para esse esquema em aplicações de banda passante (por exemplo, comunicação sem fio, fibra óptica e mídia acústica subaquática). Este trabalho aborda a construção de versões do esquema OCDM que permitem a comunicação de dados usando sinais banda base, possibilitando a aplicação do esquema OCDM em sistemas PLC. Além disso, ele introduz um esquema baseado em vários usuários denominado multichirp code division multiple access (MCp-CDMA), que é uma combinação de CDMA e OCDM com o objetivo de acomodar um grande número de nós e endpoints para PLC de banda estreita e que também seja adequado para aplicações SG e IoT. Finalmente, os resultados numéricos apontam que, para um ambiente difícil e ruidoso, o esquema OCDM é capaz de suavizar o efeito do ruído impulsivo. Além disso, o esquema OCDM demonstrou resultados excepcionais quando o comprimento do canal é desconhecido comparativamente aos esquemas Hermitian symmetric orthogonal frequency division multiplexing e monoportadora com prefixo cíclico. As simulações usando o esquema MCp-CDMA demonstraram grande estabilidade e consistência de desempenho entre os diferentes cenários analisados