Constellation design for future communication systems: a comprehensive survey

[EN] The choice of modulation schemes is a fundamental building block of wireless communication systems. As a key component of physical layer design, they critically impact the expected communication capacity and wireless signal robustness. Their design is also critical for the successful roll-out of wireless standards that require a compromise between performance, efficiency, latency, and hardware requirements. This paper presents a survey of constellation design strategies and associated outcomes for wireless communication systems. The survey discusses their performance and complexity to address the need for some desirable properties, including consistency, channel capacity, system performance, required demapping architecture, flexibility, and independence. Existing approaches for constellation designs are investigated using appropriate metrics and categorized based on their theoretical algorithm design. Next, their application to different communication standards is analyzed in context, aiming at distilling general guidelines applicable to the wireless building block design. Finally, the survey provides a discussion on design directions for future communication system standardization processes.This work was supported in part by the Basque Government under Grant IT1234-19, in part by the PREDOC under Program PRE_2020_2_0105, and in part by the Spanish Government through the Project PHANTOM (MCIU/AEI/FEDER, UE) under Gran

Advanced constellation and demapper schemes for next generation digital terrestrial television broadcasting systems

206 p.Esta tesis presenta un nuevo tipo de constelaciones llamadas no uniformes. Estos esquemas presentan una eficacia de hasta 1,8 dB superior a las utilizadas en los últimos sistemas de comunicaciones de televisión digital terrestre y son extrapolables a cualquier otro sistema de comunicaciones (satélite, móvil, cable¿). Además, este trabajo contribuye al diseño de constelaciones con una nueva metodología que reduce el tiempo de optimización de días/horas (metodologías actuales) a horas/minutos con la misma eficiencia. Todas las constelaciones diseñadas se testean bajo una plataforma creada en esta tesis que simula el estándar de radiodifusión terrestre más avanzado hasta la fecha (ATSC 3.0) bajo condiciones reales de funcionamiento.Por otro lado, para disminuir la latencia de decodificación de estas constelaciones esta tesis propone dos técnicas de detección/demapeo. Una es para constelaciones no uniformes de dos dimensiones la cual disminuye hasta en un 99,7% la complejidad del demapeo sin empeorar el funcionamiento del sistema. La segunda técnica de detección se centra en las constelaciones no uniformes de una dimensión y presenta hasta un 87,5% de reducción de la complejidad del receptor sin pérdidas en el rendimiento.Por último, este trabajo expone un completo estado del arte sobre tipos de constelaciones, modelos de sistema, y diseño/demapeo de constelaciones. Este estudio es el primero realizado en este campo

An Overview of the ATSC 3.0 Physical Layer Specification

"(c) 2016 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted components of this work in other works.")This paper provides an overview of the physical layer specification of Advanced Television Systems Committee (ATSC) 3.0, the next-generation digital terrestrial broadcasting standard. ATSC 3.0 does not have any backwards-compatibility constraint with existing ATSC standards, and it uses orthogonal frequency division multiplexing-based waveforms along with powerful low-density parity check (LDPC) forward error correction codes similar to existing state-of-the-art. However, it introduces many new technological features such as 2-D non-uniform constellations, improved and ultra-robust LDPC codes, power-based layered division multiplexing to efficiently provide mobile and fixed services in the same radio frequency (RF) channel, as well as a novel frequency pre-distortion multiple-input single-output antenna scheme. ATSC 3.0 also allows bonding of two RF channels to increase the service peak data rate and to exploit inter-RF channel frequency diversity, and to employ dual-polarized multiple-input multiple-output antenna system. Furthermore, ATSC 3.0 provides great flexibility in terms of configuration parameters (e.g., 12 coding rates, 6 modulation orders, 16 pilot patterns, 12 guard intervals, and 2 time interleavers), and also a very flexible data multiplexing scheme using time, frequency, and power dimensions. As a consequence, ATSC 3.0 not only improves the spectral efficiency and robustness well beyond the first generation ATSC broadcast television standard, but also it is positioned to become the reference terrestrial broadcasting technology worldwide due to its unprecedented performance and flexibility. Another key aspect of ATSC 3.0 is its extensible signaling, which will allow including new technologies in the future without disrupting ATSC 3.0 services. This paper provides an overview of the physical layer technologies of ATSC 3.0, covering the ATSC A/321 standard that describes the so-called bootstrap, which is the universal entry point to an ATSC 3.0 signal, and the ATSC A/322 standard that describes the physical layer downlink signals after the bootstrap. A summary comparison between ATSC 3.0 and DVB-T2 is also provided.Fay, L.; Michael, L.; Gómez Barquero, D.; Ammar, N.; Caldwell, MW. (2016). An Overview of the ATSC 3.0 Physical Layer Specification. IEEE Transactions on Broadcasting. 62(1):159-171. doi:10.1109/TBC.2015.2505417S15917162

DVB-NGH: the Next Generation of Digital Broadcast Services to Handheld Devices

This paper reviews the main technical solutions adopted by the next-generation mobile broadcasting standard DVB-NGH, the handheld evolution of the second-generation digital terrestrial TV standard DVB-T2. The main new technical elements introduced with respect to DVB-T2 are: layered video coding with multiple physical layer pipes, time-frequency slicing, full support of an IP transport layer with a dedicated protocol stack, header compression mechanisms for both IP and MPEG-2 TS packets, new low-density parity check coding rates for the data path (down to 1/5), nonuniform constellations for 64 Quadrature Amplitude Modulation (QAM) and 256QAM, 4-D rotated constellations for Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), improved time interleaving in terms of zapping time, end-to-end latency and memory consumption, improved physical layer signaling in terms of robustness, capacity and overhead, a novel distributed multiple input single output transmit diversity scheme for single-frequency networks (SFNs), and efficient provisioning of local content in SFNs. All these technological solutions, together with the high performance of DVB-T2, make DVB-NGH a real next-generation mobile multimedia broadcasting technology. In fact, DVB-NGH can be regarded the first third-generation broadcasting system because it allows for the possibility of using multiple input multiple output antenna schemes to overcome the Shannon limit of single antenna wireless communications. Furthermore, DVB-NGH also allows the deployment of an optional satellite component forming a hybrid terrestrial-satellite network topology to improve the coverage in rural areas where the installation of terrestrial networks could be uneconomical.Gómez Barquero, D.; Douillard, C.; Moss, P.; Mignone, V. (2014). DVB-NGH: the Next Generation of Digital Broadcast Services to Handheld Devices. IEEE Transactions on Broadcasting. 60(2):246-257. doi:10.1109/TBC.2014.2313073S24625760

Bit-Interleaved Coded Modulation (BICM) for ATSC 3.0

"(c) 2016 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted components of this work in other works.")In this paper, we summarize and expound upon the choices made for the bit-interleaved coded modulation (BICM) part of the next-generation terrestrial broadcast standard known as ATSC 3.0. The structure of the ATSC 3.0 BICM consists of a forward error correcting code, bit interleaver, and constellation mapper. In order to achieve high efficiency over a wide range of reception conditions and carrier-to-noise (C/N) ratio values, several notable new elements have been standardized. First, 24 original low-density parity check (LDPC) codes have been designed, with coding rates from 2/15 (0.13) up to 13/15 (0.87) for two code sizes: 16 200 bits and 64 800 bits. Two different LDPC structures have been adopted; one structure more suited to medium and high coding rates and another structure suited to very low coding rates. Second, in addition to quaternary phase shift keying, non-uniform constellations (NUCs) have been chosen for constellation sizes from 16QAM to 4096QAM to bridge the gap to the Shannon theoretical limit. Two different types of NUCs have been proposed: 1-D NUCs for 1024- and 4096-point constellations, and 2-D-NUCs for 16-, 64-, and 256-point constellations. 2-D-NUCs achieve a better performance than 1-D-NUCs but with a higher complexity since they cannot be separated into two independent I/Q components. NUCs have been optimized for each coding rate for the 64 800 bits LPDCs. The same constellations are used for 16 200 bits LDPCs, although they have been limited up to 256QAM. Finally, a bit interleaver, optimized for each NUC/coding rate combination, has been designed to maximize the performance. The result is a BICM that provides the largest operating range (more than 30 dB, with the most robust mode operating below -5 dB C/N) and the highest spectral efficiency compared to any digital terrestrial broadcast system today, outperforming the current state-of-the-art DVB-T2 standard BICM by as much as 1 dB in some cases. ATSC 3.0 will also provide a considerable increase in the maximum transmission capacity when using the high-order NUCs such as 1024QAM and 4096QAM, which will represent a major milestone for terrestrial broadcasting since the highest order constellation currently available is uniform 256QAM. This paper describes the coding, modulation, and bit interleaving modules of the BICM block of ATSC 3.0 and compares its performance with other DTT standards such as ATSC A/53 and DVB-T2.Michael, L.; Gómez Barquero, D. (2016). Bit-Interleaved Coded Modulation (BICM) for ATSC 3.0. IEEE Transactions on Broadcasting. 62(1):181-188. doi:10.1109/TBC.2015.2505414S18118862

Single-Frequency Network Terrestrial Broadcasting with 5GNR Numerology

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Reception performance studies for the evaluation and improvement of the new generation terrestrial television systems

270 p.La industria de la TV ha experimentado grandes cambios en las últimas décadas. Las expectativas cada vez mayores de los espectadores y la reducción del espectro disponible para los servicios de TV han provocado la necesidad de sistemas más robustos de Televisión Digital Terrestre (TDT).El primer intento de cumplir estos requisitos es el estándar europeo DVB-T2 (2009). La publicación de un nuevo estándar significa el inicio de un proceso de evaluación del rendimiento del mismo mediante, por ejemplo, estudios de cobertura u obtención de valores de umbral de relación señal / ruido (SNR). Al inicio de esta tesis, este proceso estaba casi terminado para recepción fija y móvil. Sin embargo, la recepción en interiores no se había estudiado en detalle. Por esta razón, esta tesis completa la evaluación de DVB-T2 en interiores y define una nueva metodología de evaluación optimizada para este escenario.A pesar de que DVB-T2 emplea tecnologías muy avanzadas, el sistema se definió hace casi diez años y desde entonces han aparecido nuevas técnicas avanzadas, como por ejemplo nuevos códigos de corrección de errores o la nueva técnica de multiplexación por división en capas (LDM). Estas nuevas técnicas tampoco han sido evaluadas en entornos de interior, por lo que esta tesis incluye el análisis de las mismas evaluando su idoneidad para mejorar el rendimiento de DVB-T2. Además, se ha comprobado que los algoritmos tradicionales de los receptores TDT no están optimizados para los nuevos escenarios en los que se consideran las señales multicapa y recepción móvil. Por esta razón, se han propuesto nuevos algoritmos para mejorar la recepción en este tipo de situaciones.El último intento de hacer frente a los altos requisitos actuales de TDT es el estándar americano ATSC 3.0 (2016). Al igual que con DVB-T2, se necesita proceso completo de evaluación del sistema. Por ello, en esta tesis se han realizado simulaciones y pruebas de laboratorio para completar el estudio de rendimiento de ATSC 3.0 en diferentes escenarios

Solutions for New Terrestrial Broadcasting Systems Offering Simultaneously Stationary and Mobile Services

221 p.[EN]Since the first broadcasted TV signal was transmitted in the early decades of the past century, the television broadcasting industry has experienced a series of dramatic changes. Most recently, following the evolution from analogue to digital systems, the digital dividend has become one of the main concerns of the broadcasting industry. In fact, there are many international spectrum authorities reclaiming part of the broadcasting spectrum to satisfy the growing demand of other services, such as broadband wireless services, arguing that the TV services are not very spectrum-efficient. Apart from that, it must be taken into account that, even if up to now the mobile broadcasting has not been considered a major requirement, this will probably change in the near future. In fact, it is expected that the global mobile data traffic will increase 11-fold between 2014 and 2018, and what is more, over two thirds of the data traffic will be video stream by the end of that period. Therefore, the capability to receive HD services anywhere with a mobile device is going to be a mandatory requirement for any new generation broadcasting system. The main objective of this work is to present several technical solutions that answer to these challenges. In particular, the main questions to be solved are the spectrum efficiency issue and the increasing user expectations of receiving high quality mobile services. In other words, the main objective is to provide technical solutions for an efficient and flexible usage of the terrestrial broadcasting spectrum for both stationary and mobile services. The first contributions of this scientific work are closely related to the study of the mobile broadcast reception. Firstly, a comprehensive mathematical analysis of the OFDM signal behaviour over time-varying channels is presented. In order to maximize the channel capacity in mobile environments, channel estimation and equalization are studied in depth. First, the most implemented equalization solutions in time-varying scenarios are analyzed, and then, based on these existing techniques, a new equalization algorithm is proposed for enhancing the receivers’ performance. An alternative solution for improving the efficiency under mobile channel conditions is treating the Inter Carrier Interference as another noise source. Specifically, after analyzing the ICI impact and the existing solutions for reducing the ICI penalty, a new approach based on the robustness of FEC codes is presented. This new approach employs one dimensional algorithms at the receiver and entrusts the ICI removing task to the robust forward error correction codes. Finally, another major contribution of this work is the presentation of the Layer Division Multiplexing (LDM) as a spectrum-efficient and flexible solution for offering stationary and mobile services simultaneously. The comprehensive theoretical study developed here verifies the improved spectrum efficiency, whereas the included practical validation confirms the feasibility of the system and presents it as a very promising multiplexing technique, which will surely be a strong candidate for the next generation broadcasting services.[ES]Desde el comienzo de la transmisión de las primeras señales de televisión a principios del siglo pasado, la radiodifusión digital ha evolucionado gracias a una serie de cambios relevantes. Recientemente, como consecuencia directa de la digitalización del servicio, el dividendo digital se ha convertido en uno de los caballos de batalla de la industria de la radiodifusión. De hecho, no son pocos los consorcios internacionales que abogan por asignar parte del espectro de radiodifusión a otros servicios como, por ejemplo, la telefonía móvil, argumentado la poca eficiencia espectral de la tecnología de radiodifusión actual. Asimismo, se debe tener en cuenta que a pesar de que los servicios móviles no se han considerado fundamentales en el pasado, esta tendencia probablemente variará en el futuro cercano. De hecho, se espera que el tráfico derivado de servicios móviles se multiplique por once entre los años 2014 y 2018; y lo que es más importante, se pronostica que dos tercios del tráfico móvil sea video streaming para finales de ese periodo. Por lo tanto, la posibilidad de ofrecer servicios de alta definición en dispositivos móviles es un requisito fundamental para los sistemas de radiodifusión de nueva generación. El principal objetivo de este trabajo es presentar soluciones técnicas que den respuesta a los retos planteados anteriormente. En particular, las principales cuestiones a resolver son la ineficiencia espectral y el incremento de usuarios que demandan mayor calidad en los contenidos para dispositivos móviles. En pocas palabras, el principal objetivo de este trabajo se basa en ofrecer una solución más eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. La primera contribución relevante de este trabajo está relacionada con la recepción de la señal de televisión en movimiento. En primer lugar, se presenta un completo análisis matemático del comportamiento de la señal OFDM en canales variantes con el tiempo. A continuación, con la intención de maximizar la capacidad del canal, se estudian en profundidad los algoritmos de estimación y ecualización. Posteriormente, se analizan los algoritmos de ecualización más implementados, y por último, basándose en estas técnicas, se propone un nuevo algoritmo de ecualización para aumentar el rendimiento de los receptores en tales condiciones. Del mismo modo, se plantea un nuevo enfoque para mejorar la eficiencia de los servicios móviles basado en tratar la interferencia entre portadoras como una fuente de ruido. Concretamente, tras analizar el impacto del ICI en los receptores actuales, se sugiere delegar el trabajo de corrección de dichas distorsiones en códigos FEC muy robustos. Finalmente, la última contribución importante de este trabajo es la presentación de la tecnología LDM como una manera más eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. El análisis teórico presentado confirma el incremento en la eficiencia espectral, mientras que el estudio práctico valida la posible implementación del sistema y presenta la tecnología LDM c

Reception performance studies for the evaluation and improvement of the new generation terrestrial television systems

270 p.La industria de la TV ha experimentado grandes cambios en las últimas décadas. Las expectativas cada vez mayores de los espectadores y la reducción del espectro disponible para los servicios de TV han provocado la necesidad de sistemas más robustos de Televisión Digital Terrestre (TDT).El primer intento de cumplir estos requisitos es el estándar europeo DVB-T2 (2009). La publicación de un nuevo estándar significa el inicio de un proceso de evaluación del rendimiento del mismo mediante, por ejemplo, estudios de cobertura u obtención de valores de umbral de relación señal / ruido (SNR). Al inicio de esta tesis, este proceso estaba casi terminado para recepción fija y móvil. Sin embargo, la recepción en interiores no se había estudiado en detalle. Por esta razón, esta tesis completa la evaluación de DVB-T2 en interiores y define una nueva metodología de evaluación optimizada para este escenario.A pesar de que DVB-T2 emplea tecnologías muy avanzadas, el sistema se definió hace casi diez años y desde entonces han aparecido nuevas técnicas avanzadas, como por ejemplo nuevos códigos de corrección de errores o la nueva técnica de multiplexación por división en capas (LDM). Estas nuevas técnicas tampoco han sido evaluadas en entornos de interior, por lo que esta tesis incluye el análisis de las mismas evaluando su idoneidad para mejorar el rendimiento de DVB-T2. Además, se ha comprobado que los algoritmos tradicionales de los receptores TDT no están optimizados para los nuevos escenarios en los que se consideran las señales multicapa y recepción móvil. Por esta razón, se han propuesto nuevos algoritmos para mejorar la recepción en este tipo de situaciones.El último intento de hacer frente a los altos requisitos actuales de TDT es el estándar americano ATSC 3.0 (2016). Al igual que con DVB-T2, se necesita proceso completo de evaluación del sistema. Por ello, en esta tesis se han realizado simulaciones y pruebas de laboratorio para completar el estudio de rendimiento de ATSC 3.0 en diferentes escenarios

High mobility in OFDM based wireless communication systems

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been adopted as the transmission scheme in most of the wireless systems we use on a daily basis. It brings with it several inherent advantages that make it an ideal waveform candidate in the physical layer. However, OFDM based wireless systems are severely affected in High Mobility scenarios. In this thesis, we investigate the effects of mobility on OFDM based wireless systems and develop novel techniques to estimate the channel and compensate its effects at the receiver. Compressed Sensing (CS) based channel estimation techniques like the Rake Matching Pursuit (RMP) and the Gradient Rake Matching Pursuit (GRMP) are developed to estimate the channel in a precise, robust and computationally efficient manner. In addition to this, a Cognitive Framework that can detect the mobility in the channel and configure an optimal estimation scheme is also developed and tested. The Cognitive Framework ensures a computationally optimal channel estimation scheme in all channel conditions. We also demonstrate that the proposed schemes can be adapted to other wireless standards easily. Accordingly, evaluation is done for three current broadcast, broadband and cellular standards. The results show the clear benefit of the proposed schemes in enabling high mobility in OFDM based wireless communication systems.Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) wurde als Übertragungsschema in die meisten drahtlosen Systemen, die wir täglich verwenden, übernommen. Es bringt mehrere inhärente Vorteile mit sich, die es zu einem idealen Waveform-Kandidaten in der Bitübertragungsschicht (Physical Layer) machen. Allerdings sind OFDM-basierte drahtlose Systeme in Szenarien mit hoher Mobilität stark beeinträchtigt. In dieser Arbeit untersuchen wir die Auswirkungen der Mobilität auf OFDM-basierte drahtlose Systeme und entwickeln neuartige Techniken, um das Verhalten des Kanals abzuschätzen und seine Auswirkungen am Empfänger zu kompensieren. Auf Compressed Sensing (CS) basierende Kanalschätzverfahren wie das Rake Matching Pursuit (RMP) und das Gradient Rake Matching Pursuit (GRMP) werden entwickelt, um den Kanal präzise, robust und rechnerisch effizient abzuschätzen. Darüber hinaus wird ein Cognitive Framework entwickelt und getestet, das die Mobilität im Kanal erkennt und ein optimales Schätzungsschema konfiguriert. Das Cognitive Framework gewährleistet ein rechnerisch optimales Kanalschätzungsschema für alle möglichen Kanalbedingungen. Wir zeigen außerdem, dass die vorgeschlagenen Schemata auch leicht an andere Funkstandards angepasst werden können. Dementsprechend wird eine Evaluierung für drei aktuelle Rundfunk-, Breitband- und Mobilfunkstandards durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen den klaren Vorteil der vorgeschlagenen Schemata bei der Ermöglichung hoher Mobilität in OFDM-basierten drahtlosen Kommunikationssystemen