Application-Based Coexistence of Different Waveforms on Non-orthogonal Multiple Access

The coexistence of different wireless communication systems such as LTE and Wi-Fi by sharing the unlicensed band is well studied in the literature. In these studies, various methods are proposed to support the coexistence of systems, including listen-before-talk mechanism, joint user association and resource allocation. However, in this study, the coexistence of different waveform structures in the same resource elements are studied under the theory of non-orthogonal multiple access. This study introduces a paradigm-shift on NOMA towards the application-centric waveform coexistence. Throughout the paper, the coexistence of different waveforms is explained with two specific use cases, which are power-balanced NOMA and joint radar-sensing and communication with NOMA. In addition, some of the previous works in the literature regarding non-orthogonal waveform coexistence are reviewed. However, the concept is not limited to these use cases. With the rapid development of wireless technology, next-generation wireless systems are proposed to be flexible and hybrid, having different kinds of capabilities such as sensing, security, intelligence, control, and computing. Therefore, the concept of different waveforms' coexistence to meet these concerns are becoming impressive for researchers.Comment: Submitted to IEEE for possible publication. arXiv admin note: text overlap with arXiv:2007.05753, arXiv:2003.0554

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

Performance Comparison of Terrestrial DVB Detection using LDPC and Turbo Codes

Last-generation and future wireless communication standards, such as DVB-T2 or DVB-NGH, are including multi-antenna transmission and reception in order to increase bandwidth efficiency and receiver robustness. The main goal is to combine diversity and spatial multiplexing in order to fully exploit the multiple-input multiple output (MIMO) channel capacity. Full-rate full-diversity (FRFD) space-time codes (STC) such as the Golden code are studied for that purpose. However, despite their larger achievable capacity, most of them present high complexity for soft detection, which hinders their combination with soft-input decoders in bit-interleaved coded modulation (BICM) schemes. This article presents a low complexity soft detection algorithm for the reception of FRFD space-frequency block codes in BICM orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems and gives the performance comparision using Ldpc and Turbo codes. The proposed detector maintains a reduced and fixed complexity, avoiding the variable nature of the list sphere decoder (LSD) due to its dependence on the noise and channel conditions. Complexity and simulation based performance results are provided which show that the proposed detector performs close to the optimal log-maximum a posteriori (MAP) detection in a variety of DVB-T2 broadcasting scenarios

Mixed numerologies interference analysis and inter-numerology interference cancellation for windowed OFDM systems

Extremely diverse service requirements are one of the critical challenges for the upcoming fifth-generation (5G) radio access technologies. As a solution, mixed numerologies transmission is proposed as a new radio air interface by assigning different numerologies to different subbands. However, coexistence of multiple numerologies induces the inter-numerology interference (INI), which deteriorates the system performance. In this paper, a theoretical model for INI is established for windowed orthogonal frequency division multiplexing (W-OFDM) systems. The analytical expression of the INI power is derived as a function of the channel frequency response of interfering subcarrier, the spectral distance separating the aggressor and the victim subcarrier, and the overlapping windows generated by the interferer's transmitter windows and the victim's receiver window. Based on the derived INI power expression, a novel INI cancellation scheme is proposed by dividing the INI into a dominant deterministic part and an equivalent noise part. A soft-output ordered successive interference cancellation (OSIC) algorithm is proposed to cancel the dominant interference, and the residual interference power is utilized as effective noise variance for the calculation of log-likelihood ratios (LLRs) for bits. Numerical analysis shows that the INI theoretical model matches the simulated results, and the proposed interference cancellation algorithm effectively mitigates the INI and outperforms the state-of-the-art W-OFDM receiver algorithms

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

Advanced Layered Divsion Multiplexing Technologies for Next-Gen Broadcast

Tesis por compendioDesde comienzos del siglo XXI, los sistemas de radiodifusión terrestre han sido culpados de un uso ineficiente del espectro asignado. Para aumentar la eficiencia espectral, los organismos de estandarización de TV digital comenzaron a desarrollar la evolución técnica de los sistemas de TDT de primera generación. Entre otros, uno de los objetivos principales de los sistemas de TDT de próxima generación (DVB-T2 y ATSC 3.0) es proporcionar simultáneamente servicios de TV a dispositivos móviles y fijos. El principal inconveniente de esta entrega simultánea son los diferentes requisitos de cada condición de recepción. Para abordar estas limitaciones, se han considerado diferentes técnicas de multiplexación. Mientras que DVB-T2 acomete la entrega simultánea de los dos servicios mediante TDM, ATSC 3.0 adoptó la Multiplexación por División en Capas (LDM). LDM puede superar a TDM y a FDM al aprovechar la relación de Protección de Error Desigual (UEP), ya que ambos servicios, llamados capas, utilizan todos los recursos de frecuencia y tiempo con diferentes niveles de potencia. En el lado del receptor, se distinguen dos implementaciones, de acuerdo con la capa a decodificar. Los receptores móviles solo están destinados a obtener la capa superior, conocida como Core Layer (CL). Para no aumentar su complejidad en comparación con los receptores de capa única, la capa inferior, conocida como Enhanced Layer (EL), es tratada como un ruido adicional en la decodificación. Los receptores fijos aumentan su complejidad, ya que deben realizar un proceso de Cancelación de Interferencia (SIC) sobre la CL para obtener la EL. Para limitar la complejidad adicional de los receptores fijos, las capas de LDM en ATSC 3.0 están configuradas con diferentes capacidades de corrección, pero comparten el resto de bloques de la capa física, incluido el TIL, el PP, el tamaño de FFT, y el GI. Esta disertación investiga tecnologías avanzadas para optimizar el rendimiento de LDM. Primero se propone una optimización del proceso de demapeo para las dos capas de LDM. El algoritmo propuesto logra un aumento de capacidad, al tener en cuenta la forma de la EL en el proceso de demapeo de la CL. Sin embargo, el número de distancias Euclidianas a computar puede aumentar significativamente, conduciendo no solo a receptores fijos más complejos, sino también a receptores móviles más complejos. A continuación, se determina la configuración de piloto ATSC 3.0 más adecuada para LDM. Teniendo en cuenta que las dos capas comparten el mismo PP, surge una contrapartida entre la densidad de pilotos (CL) y la redundancia sobre los datos (EL). A partir de los resultados de rendimiento, se recomienda el uso de un PP no muy denso, ya que ya han sido diseñados para hacer frente a ecos largos y altas velocidades. La amplitud piloto óptima depende del estimador de canal en los receptores (ej., se recomienda la amplitud mínima para una implementación Wiener, mientras que la máxima para una implementación FFT). También se investiga la potencial transmisión conjunta de LDM con tres tecnologías avanzadas adoptadas en ATSC 3.0: las tecnologías de agregación MultiRF, los esquemas de MISO distribuido y los de MIMO colocalizado. Se estudian los potenciales casos de uso, los aspectos de implementación del transmisor y el receptor, y las ganancias de rendimiento de las configuraciones conjuntas para las dos capas de LDM. Las restricciones adicionales de combinar LDM con las tecnologías avanzadas se consideran admisibles, ya que las mayores demandas ya están contempladas en ATSC 3.0 (ej., una segunda cadena de recepción). Se obtienen ganancias significativas en condiciones de recepción peatonal gracias a la diversidad en frecuencia proporcionada por las tecnologías MultiRF. La conjunción de LDM con esquemas de MISO proporciona ganancias de rendimiento significativas en redes SFN para la capa fija con el esquema de Alamouti.Since the beginning of the 21st century, terrestrial broadcasting systems have been blamed of an inefficient use of the allocated spectrum. To increase the spectral efficiency, digital television Standards Developing Organizations settled to develop the technical evolution of the first-generation DTT systems. Among others, a primary goal of next-generation DTT systems (DVB-T2 and ATSC 3.0) is to simultaneously provide TV services to mobile and fixed devices. The major drawback of this simultaneous delivery is the different requirement of each reception condition. To address these constraints different multiplexing techniques have been considered. While DVB-T2 fulfilled the simultaneous delivery of the two services by TDM, ATSC 3.0 adopted the LDM technology. LDM can outperform TDM and FDM by taking advantage of the UEP ratio, as both services, namely layers, utilize all the frequency and time resources with different power levels. At receiver side, two implementations are distinguished, according to the intended layer. Mobile receivers are only intended to obtain the upper layer, known as CL. In order not to increase their complexity compared to single layer receivers, the lower layer, known as EL is treated as an additional noise on the CL decoding. Fixed receivers, increase their complexity, as they should performed a SIC process on the CL for getting the EL. To limit the additional complexity of fixed receivers, the LDM layers in ATSC 3.0 are configured with different error correction capabilities, but share the rest of physical layer parameters, including the TIL, the PP, the FFT size, and the GI. This dissertation investigates advanced technologies to optimize the LDM performance. A demapping optimization for the two LDM layers is first proposed. A capacity increase is achieved by the proposed algorithm, which takes into account the underlying layer shape in the demapping process. Nevertheless, the number of Euclidean distances to be computed can be significantly increased, contributing to not only more complex fixed receivers, but also more complex mobile receivers. Next, the most suitable ATSC 3.0 pilot configuration for LDM is determined. Considering the two layers share the same PP a trade-off between pilot density (CL) and data overhead (EL) arises. From the performance results, it is recommended the use of a not very dense PP, as they have been already designed to cope with long echoes and high speeds. The optimum pilot amplitude depends on the channel estimator at receivers (e.g. the minimum amplitude is recommended for a Wiener implementation, while the maximum for a FFT implementation). The potential combination of LDM with three advanced technologies that have been adopted in ATSC 3.0 is also investigated: MultiRF technologies, distributed MISO schemes, and co-located MIMO schemes. The potential use cases, the transmitter and receiver implementations, and the performance gains of the joint configurations are studied for the two LDM layers. The additional constraints of combining LDM with the advanced technologies is considered admissible, as the greatest demands (e.g. a second receiving chain) are already contemplated in ATSC 3.0. Significant gains are found for the mobile layer at pedestrian reception conditions thanks to the frequency diversity provided by MultiRF technologies. The conjunction of LDM with distributed MISO schemes provides significant performance gains on SFNs for the fixed layer with Alamouti scheme. Last, considering the complexity in the mobile receivers and the CL performance, the recommended joint configuration is MISO in the CL and MIMO in the EL.Des de començaments del segle XXI, els sistemes de radiodifusió terrestre han sigut culpats d'un ús ineficient de l'espectre assignat. Per a augmentar l'eficiència espectral, els organismes d'estandardització de TV digital van començar a desenvolupar l'evolució tècnica dels sistemes de TDT de primera generació. Entre altres, un dels objectius principals dels sistemes de TDT de pròxima generació (DVB-T2 i el ATSC 3.0) és proporcionar simultàniament serveis de TV a dispositius mòbils i fixos. El principal inconvenient d'aquest lliurament simultani són els diferents requisits de cada condició de recepció. Per a abordar aquestes limitacions, s'han considerat diferents tècniques de multiplexació. Mentre que DVB-T2 escomet el lliurament simultani dels dos serveis mitjançant TDM, ATSC 3.0 va adoptar la Multiplexació per Divisió en Capes (LDM). LDM pot superar a TDM i a FDM en aprofitar la relació de Protecció d'Error Desigual (UEP), ja que tots dos serveis, cridats capes, utilitzen tots els recursos de freqüència i temps amb diferents nivells de potència. En el costat del receptor, es distingeixen dues implementacions, d'acord amb la capa a decodificar. Els receptors mòbils solament estan destinats a obtenir la capa superior, coneguda com Core Layer (CL). Per a no augmentar la seua complexitat en comparació amb els receptors de capa única, la capa inferior, coneguda com Enhanced Layer (EL), és tractada com un soroll addicional en la decodificació. Els receptors fixos augmenten la seua complexitat, ja que han de realitzar un procés de Cancel·lació d'Interferència (SIC) sobre la CL per a obtenir l'EL. Per a limitar la complexitat addicional dels receptors fixos, les capes de LDM en ATSC 3.0 estan configurades amb diferents capacitats de correcció, però comparteixen la resta de blocs de la capa física, inclòs el TIL, el PP, la grandària de FFT i el GI. Aquesta dissertació investiga tecnologies avançades per a optimitzar el rendiment de LDM. Primer es proposa una optimització del procés de demapeo per a les dues capes de LDM. L'algoritme proposat aconsegueix un augment de capacitat, en tenir en compte la forma de l'EL en el procés de demapeo de la CL. No obstant açò, el nombre de distàncies Euclidianes a computar pot augmentar significativament, conduint NO sols a receptors fixos més complexos, sinó també a receptors mòbils més complexos. A continuació, es determina la configuració de pilot ATSC 3.0 més adequada per a LDM. Tenint en compte que les dues capes comparteixen el mateix PP, es produeix una contrapartida entre la densitat de pilots (CL) i la redundància sobre les dades (EL). A partir dels resultats de rendiment, es recomana l'ús d'un PP no gaire dens, ja que ja han sigut dissenyats per a fer front a ecos llargs i altes velocitats. L'amplitud pilot òptima depèn de l'estimador de canal en els receptors (ex., es recomana l'amplitud mínima per a una implementació Wiener, mentre que la màxima per a una implementació FFT). També s'investiga la potencial transmissió conjunta de LDM amb tres tecnologies avançades adoptades en ATSC 3.0: les tecnologies d'agregació de MultiRF, els esquemes de MISO distribuït i els de MIMO colocalitzat. S'estudien els potencials casos d'ús, els principals aspectes d'implementació del transmissor i el receptor, i els guanys de rendiment de les configuracions conjuntes per a les dues capes de LDM. Les restriccions addicionals de combinar LDM amb les tecnologies avançades es consideren admissibles, ja que les majors demandes ja estan contemplades en ATSC 3.0 (ex., una segona cadena de recepció). S'obtenen guanys significatius per a la capa mòbil en condicions de recepció per als vianants gràcies a la diversitat en freqüència proporcionada per les tecnologies MultiRF. La conjunció de LDM amb esquemes MISO distribuïts proporciona guanys de rendiment significatius en xarxes SFN per a la capa fixa amb l'esquema d'Alamouti.Garro Crevillén, E. (2018). Advanced Layered Divsion Multiplexing Technologies for Next-Gen Broadcast [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/105559TESISCompendi

Factor Graph Based Detection Schemes for Mobile Terrestrial DVB Systems with Long OFDM Blocks

This PhD dissertation analyzes the performance of second generation digital video broadcasting (DVB) systems in mobile terrestrial environments and proposes an iterative detection algorithm based on factor graphs (FG) to reduce the distortion caused by the time variation of the channel, providing error-free communication in very severe mobile conditions. The research work focuses on mobile scenarios where the intercarrier interference (ICI) is very high: high vehicular speeds when long orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) blocks are used. As a starting point, we provide the theoretical background on the main topics behind the transmission and reception of terrestrial digital television signals in mobile environments, along with a general overview of the main signal processing techniques included in last generation terrestrial DVB systems. The proposed FG-based detector design is then assessed over a simpli ed bit-interleaved coded modulation (BICM)-OFDM communication scheme for a wide variety of mobile environments. Extensive simulation results show the e ectiveness of the proposed belief propagation (BP) algorithm over the channels of interest in this research work. Moreover, assuming that low density parity-check (LDPC) codes are decoded by means of FG-based algorithms, a high-order FG is de ned in order to accomplish joint signal detection and decoding into the same FG framework, o ering a fully parallel structure very suitable when long OFDM blocks are employed. Finally, the proposed algorithms are analyzed over the physical layer of DVB-T2 speci cation. Two reception schemes are proposed which exploit the frequency and time-diversity inherent in time-varying channels with the aim of achieving a reasonable trade-o among performance, complexity and latency.Doktoretza tesi honek bigarren belaunaldiko telebista digitalaren eraginkortasuna aztertzen du eskenatoki mugikorrean, eta faktoreen grafoetan oinarritzen den hartzaile iteratibo bat proposatzen du denboran aldakorra den kanalak sortzen duen distortsioa leundu eta seinalea errorerik gabe hartzea ahalbidetzen duena. Proposatutako detektorea BICM-OFDM komunikazio eskema orokor baten gainean ebaluatu da lurreko broadcasting kanalaren baldintzak kontutan hartuz. Simulazio emaitzek algoritmo honen eraginkortasuna frogatzen dute Doppler frekuentzia handietan. Ikerketa lanaren bigarren zatian, faktoreen grafoetan oinarritutako detektorea eskema turbo zabalago baten baitan txertatu da LDPC dekodi katzaile batekin batera. Hartzaile diseinu honen abantaila nagusia da OFDM simbolo luzeetara ondo egokitzen dela. Azkenik, proposatutako algoritmoa DVB-T2 katearen baitan inplementatu da, bi hartzaile eskema proposatu direlarik seinaleak duen dibertsitate tenporal eta frekuentziala probesteko, beti ere eraginkortasunaren, konplexutasunaren eta latentziaren arteko konpromisoa mantenduz.Este trabajo de tesis analiza el rendimiento de la segunda generación de la televisión digital terreste en escenarios móviles y propone un algoritmo iterativo basado en grafos de factores para la detección de la señal y la reducción de la distorsión causada por la variación temporal del canal, permitiendo así recibir la señal libre de errores. El detector basado en grafos de factores propuesto es evaluado sobre un esquema de comunicaciones general BICM-OFDM en condiciones de transmisión propios de canales de difusión terrestres. Los resultados de simulación presentados muestran la e ciencia del algoritmo de detección propuesto en presencia de frecuencias Doppler muy altas. En una segunda parte del trabajo de investigación, el detector propuesto es incorporado a un esquema turbo junto con un decodi cador LDPC, dando lugar a un receptor iterativo que presenta características especialmente apropiadas para su implementación en sistemas OFDM con longitudes de símbolo elevadas. Por último, se analiza la implementación del algoritmo propuesto sobre la cadena de recepción de DVB-T2. Se presentan dos esquemas de recepción que explotan la diversidad temporal y frecuencial presentes en la señal afectada por canales variantes en el tiempo, consiguiendo un compromiso razonable entre rendimiento, complejidad y latencia

Detection and decoding algorithms of multi-antenna diversity techniques for terrestrial DVB systems

This PhD dissertation analyzes the behavior of multi-antenna diversity techniques in broadcasting scenarios of TDT (terrestrial digital television) systems and proposes a low-complexity detection and decoding design for their practical implementation. For that purpose, the transmission-reception chains of the European DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) and DVB-T2 standards have been implemented over which diversity and MIMO (multiple-input multiple-output) techniques have been assessed through Monte Carlo simulations. On one hand, the most important multi-antenna diversity techniques such as CDD (cyclic delay diversity), Alamouti code-based SFBC (space-frequency block coding) and MRC (maximum ratio combining), have been evaluated in a DVB-T system over both fixed and mobile Rayleigh and Ricean channels. With the DVB-T2 standard release, multi-antenna processing has actually been introduced in digital television systems. The distributed SFBC configuration proposed in DVB-T2 is analyzed from a performance point of view considering different propagation conditions in an SFN (single frequency network). On the other hand, error-performance and detection complexity analyses of 2x2 FRFD (full-rate full-diversity) SFBCs are carried out for last-generation DTV (digital television) systems. The use of channel coding based on LDPC (low-density parity check) codes in new standards such as DVB-T2, involves a soft-output MAP (maximum a posteriori ) detection which results in an increase of the detection complexity. In order to study the FRFD codes behavior in such a BICM (bit-interleaved coded modulation) scheme, the Golden code, which achieves the maximum coding gain, and the Sezginer-Sari code, which has a lower inherent detection complexity as an expense of sacrificing performance gain, have been chosen. Using LSD (list sphere decoder) detection, BER (bit error rate) performance and computational cost results are provided for TDT scenarios. In order to overcome the variable complexity of the LSD, LFSD (list fixed-complexity sphere decoder) detection is proposed for practical implementations. A redesign of the previously proposed LFSD algorithm for spatial multiplexing MIMO systems has been performed for FRFD SFBCs with close-to-LSD performance. Furthermore, an analysis of the number of candidates is carried out in order to maximize the eficiency of the algorithm. Due to its fixed complexity, the novel algorithm can be fully pipelined making feasible a realistic implementation in chip.Esta tesis analiza el comportamiento de las técnicas de diversidad multiantena en escenarios de radiodifusión TDT (televisión digital terrestre) y propone un diseño de baja complejidad para la detección de códigos SFBC (space-frequency block coding ) que facilita una posible implementación práctica. Para ello, se ha implementado la cadena de transmisión-recepción de los estándares europeos DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial ) y DVB-T2 como entorno de trabajo donde se han incluido y simulado diferentes técnicas de diversidad MIMO (multiple-input multiple-output ). Por un lado, se evalúan las técnicas de diversidad multiantena CDD ( cyclic delay diversity), SFBC con codi cación Alamouti y MRC (maximum ratio combining ) en escenarios fijos y móviles de canales tanto Rayleigh como Ricean para el sistema DVB-T. En DVB-T2, se analiza la tecnología multiantena propuesta por el estándar para diferentes escenarios de propagación dentro de redes SFN (single frequency network ). Por otro lado, se realiza un estudio sobre códigos FRFD (full-rate full-diversity ) SFBC para su posible inclusión en futuros estándares de televisión digital. El uso de codificaciones de canal más potentes, como los códigos LDPC (low-density parity check ), implica la utilización de una detección MAP (maximum a posteriori ) con salida soft, incrementando considerablemente la complejidad de la detección. Para realizar el correspondiente análisis de complejidad y rendimiento, se han escogidos dos códigos FRFD. Por un lado, el código Golden, que ofrece la máxima ganancia de código y, por otro, el código propuesto por Sezginer y Sari, que consigue reducir la complejidad de detección a costa de perder cierta ganancia de código. Se presentan resultados basados en curvas de BER (bit error rate) y número de operaciones sobre un sistema BICM (bit-interleaved coded modulation ) equivalente a DVB-T2 en escenarios TDT utilizando una detección LSD (list sphere decoder ). Para resolver el problema de la complejidad variable del algoritmo LSD, se realiza un rediseño del ya propuesto LFSD (list fixed-complexity sphere decoder ) para técnicas de multiplexación espacial considerando la estructura de los códigos FRFD SFBC. Asimismo, se evalúa el número de candidatos que ofrece un funcionamiento más eficiente con menor coste computacional. Los resultados de simulación basados en curvas de BER muestran rendimientos cercanos al detector LSD manteniendo el número de operaciones constante. Por lo tanto, este nuevo diseño permite su eficiente y práctica implementación en dispositivos reales.Doktoretza-tesi honen gai nagusia Lurreko Telebista Digitalerako antena anitzeko dibertsitate tekniken portaera ikertzea da, hartzailerako konplexutasun baxuko algoritmoen diseinua oinarri hartuta. Horretarako, Europako DVB-T eta DVB-T2 telebista digitaleko estandarren igorle-hartzaile kateen simulagailua inplementatzeaz gain, dibertsitate eta MIMO ( multipleinput multiple-output ) algoritmoak garatu eta aztertu dira. Lehenengo helburu gisa, CDD (cyclic delay diversity ), Alamouti kodean oinarritutako SFBC (space-frequency block coding ) eta MRC (maximum ratio combining ) teknikak ebaluatu dira Rayleigh eta Ricean ingurunetan, bai komunikazio nko zein mugikorretarako. Argitaratu berri den DVB-T2 estandarrak antena anitzeko prozesaketa telebista sistema digitalean sartu duenez, teknologia honen analisia egin da maiztasun bakarreko telebista sareetarako SFN (single frequency network ). Tesiaren helburu nagusia FRFD (full-rate full-diversity ) SFBC kodigoen ikerketa eta hauek telebista digitalaren estandar berrietan sartzea ahalbidetuko dituzten detekzio sistemen diseinua izan da. Kanalen kodi kazio indartsuagoak erabiltzeak, LDPC ( low-density parity check ) kodeak esaterako, MAP (maximum a posteriori ) algoritmoan oinarritutako soft irteeradun detektoreen erabilera dakar berekin, detekzioaren konplexutasuna areagotuz. Bi FRFD kode aukeratu dira errendimendu eta konplexutasun analisiak DVB-T2 bezalako BICM (bit-interleaved coded modulation ) sistemetan egiteko. Alde batetik, irabazi maximoa lortzen duen Golden kodea eta, bestetik, konplexutasun txikiagoa duen Sezginer eta Sarik proposatutako kodea erabili dira. Bit errore edo BER (bit error rate) tasan eta konputazio kostuan oinarrituta, emaitzak aurkeztu dira zerrenda dekodeatzaile esferikoa ( list sphere decoder, LSD) erabiliz. LSD-aren konplexutasun aldakorraren arazoa konpontzeko, ezpazio-multiplexazioko teknikarako LFSD (list xed-complexity sphere decoder ) algoritmoaren berdiseinua garatu da, FRFD SFBC kodeen egitura berezia kontuan hartuta. Algoritmoaren eraginkortasuna maximizatzeko kandidatuen zenbakia ebaluatzen da baita ere. LSD-en antzeko errendimendua duten BER gra ketan oinarritutako simulazio emaitzak aurkezten dira, eragiketa kopurua konstante eta LSD-arenaren baino murritzagoa mantenduz. Beraz, proposatutako diseinu eraginkorrak, FRFD SFBC antena anitzeko dibertsitatean oinarritutako eskemen inplementazioa ahalbidetu dezakete telebista digitalaren estandar berrietarako

Advanced Statistical Signal Processing Methods in Sensing, Detection, and Estimation for Communication Applications

The applications of wireless communications and digital signal processing have dramatically changed the way we live, work, and learn over decades. The requirement of higher throughput and ubiquitous connectivity for wireless communication systems has become prevalent nowadays. Signal sensing, detection and estimation have been prevalent in signal processing and communications for many years. The relevant studies deal with the processing of information-bearing signals for the purpose of information extraction. Nevertheless, new robust and efficient signal sensing, detection and estimation techniques are still in demand since there emerge more and more practical applications which rely on them. In this dissertation work, we proposed several novel signal sensing, detection and estimation schemes for wireless communications applications, such as spectrum sensing, symbol-detection/channel-estimation, and encoder identification. The associated theories and practice in robustness, computational complexity, and overall system performance evaluation are also provided

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