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

Single-Frequency Network Terrestrial Broadcasting with 5GNR Numerology

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

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

Ultra-Sparse Non-Binary LDPC Codes for Probabilistic Amplitude Shaping

This work shows how non-binary low-density parity-check codes over GF($2^p$) can be combined with probabilistic amplitude shaping (PAS) (B\"ocherer, et al., 2015), which combines forward-error correction with non-uniform signaling for power-efficient communication. Ultra-sparse low-density parity-check codes over GF(64) and GF(256) gain 0.6 dB in power efficiency over state-of-the-art binary LDPC codes at a spectral efficiency of 1.5 bits per channel use and a blocklength of 576 bits. The simulation results are compared to finite length coding bounds and complemented by density evolution analysis.Comment: Accepted for Globecom 201

Physical Layer Performance Evaluation of LTE-Advanced Pro Broadcast and ATSC 3.0 Systems

This work provides a detailed performance analysis of the physical layer of two state-of-the-art point-to-multipoint (PTM) technologies: evolved Multimedia Broadcast Multicast Services (eMBMS) and Advanced Television Systems Committee - Third Generation (ATSC 3.0). The performance of these technologies is evaluated and compared using link-level simulations, considering relevant identified scenarios. A selection of Key Performance Indicators (KPI) for the International Mobile Telecommunications 2020 (IMT-2020) evaluation process has been considered. Representative use cases are also aligned to the test environments as defined in the IMT-2020 evaluation guidelines. It is observed that ATSC 3.0 outperforms both eMBMS solutions, i.e. MBMS over Single Frequency Networks (MBSFN) and Single-Cell PTM (SC-PTM) in terms of spectral efficiency, peak data rate and mobility, among others. This performance evaluation serves as a benchmark for comparison with a potential 5G PTM solution

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

Further Improvements in Decoding Performance for 5G LDPC Codes Based on Modified Check-Node Unit

One of the most important units of Low-Density Parity-Check (LDPC) decoders is the Check-Node Unit. Its main task is to find the first two minimum values among incoming variable-to-check messages and return check-to-variable messages. This block significantly affects the decoding performance, as well as the hardware implementation complexity. In this paper, we first propose a modification to the check-node update rule by introducing two optimal offset factors applied to the check-to-variable messages. Then, we present the Check-Node Unit hardware architecture which performs the proposed algorithm. The main objective of this work aims to improve further the decoding performance for 5th Generation (5G) LDPC codes. The simulation results show that the proposed algorithm achieves essential improvements in terms of error correction performance. More precisely, the error-floor does not appear within Bit-Error-Rate (BER) of 10^(-8), while the decoding gain increases up to 0.21 dB compared to the baseline Normalized Min-Sum, as well as several state-of-the-art LDPC-based Min-Sum decoders

NOMA-based 802.11g/n: PHY analysis and MAC implementation

Industry 4.0 can be considered as the industrial revolution of the current century. Among others, one of its main objectives is the replacement of wired communications by wireless connectivity. The idea is to overcome the main drawbacks of the current wired ecosystem: the lack of mobility, the deployment costs, cable damage and the difficulties with scalability. However, for this purpose, the nature and requirements of the industrial applications must be taken into account, in particular, the proposed communications protocols must support very low loss rates and a strong robustness against failures. This is a very challenging condition due to the nature of the industrial environments (interference with other communication systems, reflections with metallic objects ...). In addition, another characteristic of the industrial applications is the strict requirement related to the latency. On the other hand, industrial applications are not only based on high challenging services, but also exist more flexible requirement applications, such as, web browser, email, video content or complementary information. Those services are considered Best Effort (BE) services. Eventually, in some wireless applications both critical and BE services have to be offered. For those cases, Non-Orthogonal Multiplexing Access (NOMA) technology together with the IEEE 802.11g/n standard is proposed in this document as the physical layer solution. The IEEE 802.11g/n standard has been modified in order to accommodate NOMA schemes, and then, comprehensive simulations are conducted to check and analyze the behavior of the proposed system. It has been determined that through NOMA technology it is possible to obtain better results in certain cases than those achieved in a transmission cases that implements the IEEE 802.11g/n standard in TDM/FDM basis