Tese
Medium access control protocols for improving data communication reliability in PLC systems
Autor
Oliveira, Roberto Massi de
Institución
Resumen
The present thesis provides a comprehensive survey regarding the state of the art of
medium access control (MAC) protocols for power line communication (PLC) systems,
including an overview of existing PLC MAC research results and an organization of current
PLC MAC protocols in terms of type of protocols, applications, and main research
focus. Moreover, the survey presents modern PLC technologies and standards, highlighting
their MAC sublayer characteristics and providing a detailed comparative analysis of
PLC MAC protocols in the context of current and emerging PLC applications. Then,
future trends are identified within the scope of the MAC sublayer for PLC systems with
a view to stimulating additional research efforts on PLC MAC design. In addition, the
present thesis proposes a generic approach that may improve the data communication
reliability through packet corrections at the link layer level. Based on this generic approach,
the present thesis also proposes EPLC-CMAC, an enhanced cooperative MAC
protocol for in-home broadband PLC systems. More specifically, the cooperative protocol
performs relayed retransmissions according to the relay availability, for assisting data communication
between source and destination nodes. In case a packet retransmission fails,
the destination node uses corrupted copies from the transmitted and the retransmitted
packets, which are stored in its buffer, to detect and correct the erroneous bits. Numeric
results show that the use of the EPLC-CMAC protocol is capable of reducing the packet
loss ratio even during impulsive noises, improving the data communication reliability of
the considered scenarios. Finally, but not the least, the present thesis propose EHCMAC,
an enhanced cooperative MAC protocol for in-home broadband hybrid PLC-wireless systems.
After unsuccessful transmissions, the EHCMAC protocol tries to correct corrupted
packets, at the link layer, before performing the retransmission request. In case this correction
fails, the EHCMAC protocol exploits relay availability for retransmitting packets
and, when the relay assistance is not enough to ensure successful retransmission, a second
packet correction attempt is applied at the link layer. The performance evaluation of
the EHCMAC protocol is accomplished by comparing in-home broadband hybrid power
line communication-wireless systems that consider the use of the proposed protocol with
in-home broadband hybrid power line communication-wireless systems in which the proposed
protocol is not considered. Numerical and theoretical results show that the use of
the proposed protocol is capable of remarkably reducing the need for packet retransmissions
and the packet loss ratio. More specifically, as the bit error ratio at the link layer
decreases, these results tend to zero faster when the EHCMAC protocol is considered. A presente tese apresenta uma pesquisa abrangente sobre o estado da arte dos protocolos
de controle de acesso ao meio (MAC) para sistemas de comunicação de dados via rede elétrica
(PLC), incluindo uma visão geral dos resultados de pesquisa e uma organização dos
atuais protocolos MAC para sistemas PLC em termos de tipos de protocolos, aplicações e
principais focos de pesquisa. Ademais, são apresentadas tecnologias e padrões modernos
de PLC, destacando suas características de subcamada MAC e fornecendo uma análise
comparativa detalhada de protocolos MAC no contexto de aplicações atuais e emergentes
para PLC. Em seguida, as tendências futuras são identificadas no escopo da subcamada
MAC para sistemas PLC, com o objetivo de estimular esforços adicionais de pesquisa
nesse contexto. Além disso, a presente tese propõe uma abordagem genérica que pode
melhorar a confiabilidade da comunicação de dados através de correções de pacotes no
nível da camada de enlace. Com base nesta abordagem genérica, a presente tese também
propõe o EPLC-CMAC, um protocolo MAC cooperativo aprimorado para sistemas PLC
de banda-larga para ambientes indoor. Mais especificamente, o EPLC-CMAC realiza retransmissões
cooperativas para auxiliar na comunicação de dados entre um nó fonte e um
nó destino. No caso de uma falha de retransmissão, o nó destino usa cópias corrompidas
dos pacotes transmitidos e retransmitidos, que estão armazenados em seu buffer, para
detectar e corrigir os bits errados. Resultados numéricos mostram que o uso do EPLCCMAC
é capaz de reduzir a taxa de perda de pacotes mesmo durante ruídos impulsivos,
melhorando a confiabilidade da comunicação de dados dos cenários considerados. Finalmente,
a presente tese propõe o EHCMAC, um protocolo MAC cooperativo aprimorado
para sistemas híbridos PLC-sem fio de banda larga para ambientes indoor. Após transmissões
malsucedidas, o EHCMAC tenta corrigir pacotes corrompidos, na camada de enlace,
antes de executar a solicitação de retransmissão. Caso essa correção falhe, o EHCMAC
realiza retransmissões cooperativas e, quando tais retransmissões não são suficientes para
garantir uma comunicação bem-sucedida, uma segunda tentativa de correção de pacote
é aplicada na camada de enlace. A avaliação de desempenho do protocolo EHCMAC é
realizada através da comparação de sistemas de comunicações híbridos PLC-sem fio de
banda-larga para ambientes indoor que consideram utilização do protocolo proposto com
sistemas semelhantes que não consideram a utilização do mesmo. Resultados numéricos
e teóricos mostram que o uso do protocolo proposto é capaz de reduzir notavelmente a
necessidade de retransmissões e a taxa de perda de pacotes. Mais especificamente, à medida
que a taxa de erros de bit na camada de enlace diminui, esses resultados tendem a
zero mais rápido quando o protocolo EHCMAC é considerado. CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior