Robust wireless sensor network for smart grid communication : modeling and performance evaluation

Alam, Md Sahabul (2019). Robust wireless sensor network for smart grid communication : modeling and performance evaluation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Our planet is gradually heading towards an energy famine due to growing population and industrialization. Hence, increasing electricity consumption and prices, diminishing fossil fuels and lack significantly in environment-friendliness due to their emission of greenhouse gasses, and inefficient usage of existing energy supplies have caused serious network congestion problems in many countries in recent years. In addition to this overstressed situation, nowadays, the electric power system is facing many challenges, such as high maintenance cost, aging equipment, lack of effective fault diagnostics, power supply reliability, etc., which further increase the possibility of system breakdown. Furthermore, the adaptation of the new renewable energy sources with the existing power plants to provide an alternative way for electricity production transformed it in a very large and complex scale, which increases new issues. To address these challenges, a new concept of next generation electric power system, called the "smart grid", has emerged in which Information and Communication Technologies (ICTs) are playing the key role.

For a reliable smart grid, monitoring and control of power system parameters in the transmission and distribution segments are crucial. This necessitates the deployment of a robust communication network within the power grid. Traditionally, power grid communications are realized through wired communications, including power line communication (PLC). However, the cost of its installation might be expensive especially for remote control and monitoring applications. More recently, plenty of research interests have been drawn to the wireless communications for smart grid applications. In this regard, the most promising methods of smart grid monitoring explored in the literature is based on wireless sensor network (WSN). Indeed, the collaborative nature of WSN brings significant advantages over the traditional wireless networks, including low-cost, wider coverage, self-organization, and rapid deployment. Unfortunately, harsh and hostile electric power system environments pose great challenges in the reliability of sensor node communications because of strong RF interference and noise called impulsive noise.

On account of the fundamental of WSN-based smart grid communications and the possible impacts of impulsive noise on the reliability of sensor node communications, this dissertation is supposed to further fill the lacking of the existing research outcomes. To be specific, the contributions of this dissertation can be summarized as three fold: (i) investigation and performance analysis of impulsive noise mitigation techniques for point-to-point single-carrier communication systems impaired by bursty impulsive noise; (ii) design and performance analysis of collaborative WSN for smart grid communication by considering the RF noise model in the designing process, a particular intension is given to how the time-correlation among the noise samples can be taken into account; (iii) optimal minimum mean square error (MMSE)estimation of physical phenomenon like temperature, current, voltage, etc., typically modeled by a Gaussian source in the presence of impulsive noise.

In the first part, we compare and analyze the widely used non-linear methods such as clipping, blanking, and combined clipping-blanking to mitigate the noxious effects of bursty impulsive noise for point-to-point communication systems with low-density parity-check (LDPC) coded single-carrier transmission. While, the performance of these mitigation techniques are widely investigated for multi-carrier communication systems using orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) transmission under the effect of memoryless impulsive noise, we note that OFDM is outperformed by its single-carrier counterpart when the impulses are very strong and/or they occur frequently, which likely exists in contemporary communication systems including smart grid communications. Likewise, the assumption of memoryless noise model is not valid for many communication scenarios. Moreover, we propose log-likelihood ratio (LLR)-based impulsive noise mitigation for the considered scenario. We show that the memory property of the noise can be exploited in the LLR calculation through maximum a posteriori (MAP) detection. In this context, provided simulation results highlight the superiority of the LLR-based mitigation scheme over the simple clipping/blanking schemes.

The second contribution can be divided into two aspects: (i) we consider the performance analysis of a single-relay decode-and-forward (DF) cooperative relaying scheme over channels impaired by bursty impulsive noise. For this channel, the bit error rate (BER) performances of direct transmission and a DF relaying scheme using M-PSK modulation in the presence of Rayleigh fading with a MAP receiver are derived; (ii) as a continuation of single-relay collaborative WSN scheme, we propose a novel relay selection protocol for a multi-relay DF collaborative WSN taking into account the bursty impulsive noise. The proposed protocol chooses the N’th best relay considering both the channel gains and the states of the impulsive noise of the source-relay and relay-destination links. To analyze the performance of the proposed protocol, we first derive closed-form expressions for the probability density function (PDF) of the received SNR. Then, these PDFs are used to derive closed-form expressions for the BER and the outage probability. Finally, we also derive the asymptotic BER and outage expressions to quantify the diversity benefits. From the obtained results, it is seen that the proposed receivers based on the MAP detection criterion is the most suitable one for bursty impulsive noise environments as it has been designed according to the statistical behavior of the noise.

Different from the aforementioned contributions, talked about the reliable detection of finite alphabets in the presence of bursty impulsive noise, in the thrid part, we investigate the optimal MMSE estimation for a scalar Gaussian source impaired by impulsive noise. In Chapter 5, the MMSE optimal Bayesian estimation for a scalar Gaussian source, in the presence of bursty impulsive noise is considered. On the other hand, in Chapter 6, we investigate the distributed estimation of a scalar Gaussian source in WSNs in the presence of Middleton class-A noise. From the obtained results we conclude that the proposed optimal MMSE estimator outperforms the linear MMSE estimator developed for Gaussian channel.

Titre traduit

Réseau de capteurs sans fil robuste pour la communication sur réseau intelligent : modélisation et évaluation du rendement

Résumé traduit

Notre planète se dirige progressivement vers une famine énergétique due à la croissance démographique et à l’industrialisation. Par conséquent, l’augmentation de la consommation et des prix de l’électricité, la diminution des combustibles fossiles et le manque de protection de l’environnement par les émissions de gaz à effet de serre, ainsi que l’utilisation inefficace des approvisionnements énergétiques existants ont provoqué ces dernières années des problèmes graves de congestion des réseaux dans de nombreux pays. En plus de cette situation de surcharge, le système électrique est aujourd’hui confronté à de nombreux défis, tels que les coûts de maintenance élevés, le vieillissement des équipements, l’absence de diagnostic efficace des pannes, la fiabilité de l’alimentation électrique, etc. qui augmentent encore les risques de panne du système. En outre, l’adaptation des nouvelles sources d’énergie renouvelables avec les centrales électriques existantes, pour offrir une alternative à la production d’électricité, l’a transformée en une échelle très vaste et complexe, ce qui soulève de nouveaux problèmes. Pour relever ces défis, un nouveau concept de réseau électrique de la prochaine génération, appelé "réseau intelligent", a vu le jour, dans lequel les technologies de l’information et de la communication (TIC) jouent un rôle clé. Pour un réseau intelligent fiable, la surveillance et le contrôle des paramètres du réseau électrique dans les segments de transport et de distribution sont essentiels. Cela nécessite le déploiement d’un réseau de communication robuste au sein du réseau électrique. Traditionnellement, les communications sur le réseau électrique sont réalisées au moyen de communications câblées, y compris les communications par ligne électrique (PLC). Cependant, le coût de son installation peut s’avérer onéreux, en particulier pour les applications de contrôle et de surveillance à distance. Plus récemment, de nombreux intérêts de recherche ont été attirés par les communications sans fil pour les applications de réseaux intelligents. A cet égard, les méthodes les plus prometteuses de surveillance des réseaux intelligents explorées dans la littérature sont basées sur les réseaux de capteurs sans fil (WSN). En effet, la nature collaborative du WSN apporte des avantages significatifs par rapport aux réseaux sans fil traditionnels, y compris une couverture plus large et à faible coût, une auto-organisation et un déploiement rapide. Malheureusement, les environnements rudes et hostiles des systèmes d’alimentation électrique posent de grands défis pour la fiabilité des communications entre les noeuds de capteurs en raison des fortes interférences radiofréquence et du bruit appelé "bruit impulsif".

En raison de l’importance fondamentale des communications sur réseau intelligent basées sur WSN et de l’impact possible du bruit impulsif sur la fiabilité des communications des noeuds de capteurs, cette thèse est censée combler le manque dans les résultats des recherches existants. Pour être plus précis, les contributions de cette thèse peuvent être résumées en trois volets : (i) l’étude et l’analyse des performances des techniques d’atténuation du bruit impulsionnel pour les systèmes de communication à porteuse unique point-à-point altérés par un bruit impulsionnel en rafale ; (ii) la conception et l’analyse des performances des réseaux WSN collaboratifs pour la communication intelligente en tenant compte du modèle de bruit RF dans le processus de conception, une intention particulière est donnée à la manière de prendre en compte la corrélation dans le temps des échantillons de bruit ; (iii) estimation par erreur carrée moyenne minimale optimale (EMM) des phénomènes physiques comme la température, l’intensité et la tension, typiquement modélisé par une source gaussienne en présence d’un bruit impulsif.

Dans la première partie, nous comparons et analysons les méthodes non linéaires largement utilisées telles que l’écrêtage, l’effacement et la combinaison écrêtage/effacement pour atténuer les effets nocifs du bruit impulsionnel en rafale dans les systèmes de communication point à point avec transmission mono-porteuse à codage LDPC (Low-Density Parity Check). Bien que la performance de ces techniques d’atténuation soit largement étudiée pour les systèmes de communication multi-porteuses utilisant le multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) sous l’effet du bruit impulsif sans mémoire, on constate que le OFDM est moins performant que sa homologue mono-porteuse lorsque les impulsions sont très fortes et/ou fréquentes, comme on peut en retrouver dans les systèmes de communication actuels, dont les réseaux de communications de grilles intelligentes. De même, l’hypothèse d’un modèle de bruit sans mémoire n’est pas valable pour de nombreux scénarios de communication. De plus, nous proposons une atténuation du bruit impulsif basée sur le logarithme du rapport de vraisemblance (LLR) pour le scénario considéré. Nous montrons que la propriété de mémoire du bruit peut être exploitée dans le calcul du LLR par une détection maximale à posteriori (MAP). Dans ce contexte, les résultats de simulation fournis mettent en évidence la supériorité du système d’atténuation basé sur les LLR par rapport aux simples systèmes de coupures par écrêtage/effacement.

La deuxième contribution peut être divisée en deux volets : (i) nous considérons l’analyse des performances d’un système de relais coopératif de décodage et de transmission (DF) à relais simple, sur des canaux altérés par un bruit impulsionnel en rafale. Pour ce canal, les performances du taux d’erreur binaire (TEB) de la transmission directe et d’un schéma de relais DF utilisant la modulation M-PSK en présence d’évanouissements de Rayleigh avec un récepteur MAP sont dérivées ; (ii) dans le prolongement du schéma WSN collaboratif simple relais, nous proposons un nouveau protocole de sélection de relais pour un WSN collectif DF multi relais prenant en compte le bruit impulsionnel en rafale. Le protocole proposé choisit le meilleur relais N’th en tenant compte à la fois des gains de canal et des états du bruit impulsif des liaisons relais source-relais et relais-destination. Pour analyser la performance du protocole proposé, nous dérivons d’abord des expressions de forme analytique exacte pour la fonction de densité de probabilité (PDF) du SNR reçu. Ensuite, ces PDFs sont utilisés pour dériver des expressions de forme analytique exactes pour le TEB et la probabilité d’interruption. Enfin, nous dérivons également les expressions asymptotiques du TEB et des coupures pour quantifier les avantages de la diversité. Les résultats obtenus montrent que les récepteurs proposés sur la base du critère de détection MAP sont les plus appropriés pour les environnements de bruit impulsionnel en rafales car ils ont été conçus en fonction du comportement statistique du bruit.

A la différence des contributions susmentionnées, nous avons parlé de la détection fiable des alphabets finis en présence d’un bruit impulsif en rafale, dans la troisième partie, nous étudions l’estimation MMSE optimale pour une source gaussienne scalaire altérée par un bruit impulsif. Au chapitre 5, l’estimation bayésienne optimale du MMSE pour une source gaussienne scalaire, en présence d’un bruit impulsionnel en rafale, est examinée. D’autre part, au chapitre 6, nous étudions l’estimation distribuée d’une source gaussienne scalaire dans les WSNs en présence d’un bruit de classe A de Middleton. D’après les résultats obtenus, nous concluons que l’estimateur MMSE optimal proposé surpasse l’estimateur MMSE linéaire développé pour le canal gaussien.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 185-196).
Mots-clés libres:	communication sur réseau de grille intelligente, réseau de capteurs sans fil, bruit impulsif, communication coopérative, détection a posteriori maximale, estimation de l’erreur carrée moyenne minimale
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kaddoum, Georges
Codirecteur:	Codirecteur Agba, Basile L.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 nov. 2019 18:47
Dernière modification:	13 nov. 2019 18:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2388

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