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

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

Layered Division Multiplexing With Multi-Radio-Frequency Channel Technologies

"(c) 2015 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.")The advanced television system committee (ATSC) is to release the next-generation U.S. digital terrestrial television standard, known as ATSC 3.0. Layered division multiplexing (LDM) is one of the new physical layer technologies included in the standard, which enables the efficient provision of mobile and fixed services by superposing two independent signals with different power levels. ATSC 3.0 has also adopted a novel transmission technique known as channel bonding (CB), which splits the data of a service into two sub-streams that are modulated and transmitted over two radio-frequency (RF) channels. This paper investigates the potential use cases, implementation aspects, and performance advantages, for combining LDM with CB and also with the multi-RF channel technology time frequency slicing (TFS) introduced in digital video broadcasting - terrestrial second generation (DVB-T2) (as an informative annex) and digital video broadcasting - next generation handheld (DVB-NGH) which allows distributing the data of a service across two or more RF channels by means of time slicing and frequency hopping.Parts of this paper have been published in the Proceedings of the IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting, Ghent, Belgium, in 2015. This work was supported by the ICT Research and Development Program of MSIP/IITP. [R0101-15-294, Development of Service and Transmission Technology for Convergent Realistic Broadcast.]Garro Crevillén, E.; Gimenez Gandia, JJ.; Park, SI.; Gómez Barquero, D. (2016). Layered Division Multiplexing With Multi-Radio-Frequency Channel Technologies. IEEE Transactions on Broadcasting. 62(2):365-374. doi:10.1109/TBC.2015.2492474S36537462

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

Single-Frequency Network Terrestrial Broadcasting with 5GNR Numerology

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

Potentzia domeinuko NOMA 5G sareetarako eta haratago

Tesis inglés 268 p. -- Tesis euskera 274 p.During the last decade, the amount of data carried over wireless networks has grown exponentially. Several reasons have led to this situation, but the most influential ones are the massive deployment of devices connected to the network and the constant evolution in the services offered. In this context, 5G targets the correct implementation of every application integrated into the use cases. Nevertheless, the biggest challenge to make ITU-R defined cases (eMBB, URLLC and mMTC) a reality is the improvement in spectral efficiency. Therefore, in this thesis, a combination of two mechanisms is proposed to improve spectral efficiency: Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) techniques and Radio Resource Management (RRM) schemes. Specifically, NOMA transmits simultaneously several layered data flows so that the whole bandwidth is used throughout the entire time to deliver more than one service simultaneously. Then, RRM schemes provide efficient management and distribution of radio resources among network users. Although NOMA techniques and RRM schemes can be very advantageous in all use cases, this thesis focuses on making contributions in eMBB and URLLC environments and proposing solutions to communications that are expected to be relevant in 6G

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

Transmit and Receive Signal Processing for MIMO Terrestrial Broadcast Systems

[EN] Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technology in Digital Terrestrial Television (DTT) networks has the potential to increase the spectral efficiency and improve network coverage to cope with the competition of limited spectrum use (e.g., assignment of digital dividend and spectrum demands of mobile broadband), the appearance of new high data rate services (e.g., ultra-high definition TV - UHDTV), and the ubiquity of the content (e.g., fixed, portable, and mobile). It is widely recognised that MIMO can provide multiple benefits such as additional receive power due to array gain, higher resilience against signal outages due to spatial diversity, and higher data rates due to the spatial multiplexing gain of the MIMO channel. These benefits can be achieved without additional transmit power nor additional bandwidth, but normally come at the expense of a higher system complexity at the transmitter and receiver ends. The final system performance gains due to the use of MIMO directly depend on physical characteristics of the propagation environment such as spatial correlation, antenna orientation, and/or power imbalances experienced at the transmit aerials. Additionally, due to complexity constraints and finite-precision arithmetic at the receivers, it is crucial for the overall system performance to carefully design specific signal processing algorithms. This dissertation focuses on transmit and received signal processing for DTT systems using MIMO-BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) without feedback channel to the transmitter from the receiver terminals. At the transmitter side, this thesis presents investigations on MIMO precoding in DTT systems to overcome system degradations due to different channel conditions. At the receiver side, the focus is given on design and evaluation of practical MIMO-BICM receivers based on quantized information and its impact in both the in-chip memory size and system performance. These investigations are carried within the standardization process of DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld) the handheld evolution of DVB-T2 (Terrestrial - Second Generation), and ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Committee - Third Generation), which incorporate MIMO-BICM as key technology to overcome the Shannon limit of single antenna communications. Nonetheless, this dissertation employs a generic approach in the design, analysis and evaluations, hence, the results and ideas can be applied to other wireless broadcast communication systems using MIMO-BICM.[ES] La tecnología de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) en redes de Televisión Digital Terrestre (TDT) tiene el potencial de incrementar la eficiencia espectral y mejorar la cobertura de red para afrontar las demandas de uso del escaso espectro electromagnético (e.g., designación del dividendo digital y la demanda de espectro por parte de las redes de comunicaciones móviles), la aparición de nuevos contenidos de alta tasa de datos (e.g., ultra-high definition TV - UHDTV) y la ubicuidad del contenido (e.g., fijo, portable y móvil). Es ampliamente reconocido que MIMO puede proporcionar múltiples beneficios como: potencia recibida adicional gracias a las ganancias de array, mayor robustez contra desvanecimientos de la señal gracias a la diversidad espacial y mayores tasas de transmisión gracias a la ganancia por multiplexado del canal MIMO. Estos beneficios se pueden conseguir sin incrementar la potencia transmitida ni el ancho de banda, pero normalmente se obtienen a expensas de una mayor complejidad del sistema tanto en el transmisor como en el receptor. Las ganancias de rendimiento finales debido al uso de MIMO dependen directamente de las características físicas del entorno de propagación como: la correlación entre los canales espaciales, la orientación de las antenas y/o los desbalances de potencia sufridos en las antenas transmisoras. Adicionalmente, debido a restricciones en la complejidad y aritmética de precisión finita en los receptores, es fundamental para el rendimiento global del sistema un diseño cuidadoso de algoritmos específicos de procesado de señal. Esta tesis doctoral se centra en el procesado de señal, tanto en el transmisor como en el receptor, para sistemas TDT que implementan MIMO-BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) sin canal de retorno hacia el transmisor desde los receptores. En el transmisor esta tesis presenta investigaciones en precoding MIMO en sistemas TDT para superar las degradaciones del sistema debidas a diferentes condiciones del canal. En el receptor se presta especial atención al diseño y evaluación de receptores prácticos MIMO-BICM basados en información cuantificada y a su impacto tanto en la memoria del chip como en el rendimiento del sistema. Estas investigaciones se llevan a cabo en el contexto de estandarización de DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld), la evolución portátil de DVB-T2 (Second Generation Terrestrial), y ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Commitee - Third Generation) que incorporan MIMO-BICM como clave tecnológica para superar el límite de Shannon para comunicaciones con una única antena. No obstante, esta tesis doctoral emplea un método genérico tanto para el diseño, análisis y evaluación, por lo que los resultados e ideas pueden ser aplicados a otros sistemas de comunicación inalámbricos que empleen MIMO-BICM.[CA] La tecnologia de múltiples entrades i múltiples eixides (MIMO) en xarxes de Televisió Digital Terrestre (TDT) té el potencial d'incrementar l'eficiència espectral i millorar la cobertura de xarxa per a afrontar les demandes d'ús de l'escàs espectre electromagnètic (e.g., designació del dividend digital i la demanda d'espectre per part de les xarxes de comunicacions mòbils), l'aparició de nous continguts d'alta taxa de dades (e.g., ultra-high deffinition TV - UHDTV) i la ubiqüitat del contingut (e.g., fix, portàtil i mòbil). És àmpliament reconegut que MIMO pot proporcionar múltiples beneficis com: potència rebuda addicional gràcies als guanys de array, major robustesa contra esvaïments del senyal gràcies a la diversitat espacial i majors taxes de transmissió gràcies al guany per multiplexat del canal MIMO. Aquests beneficis es poden aconseguir sense incrementar la potència transmesa ni l'ample de banda, però normalment s'obtenen a costa d'una major complexitat del sistema tant en el transmissor com en el receptor. Els guanys de rendiment finals a causa de l'ús de MIMO depenen directament de les característiques físiques de l'entorn de propagació com: la correlació entre els canals espacials, l'orientació de les antenes, i/o els desequilibris de potència patits en les antenes transmissores. Addicionalment, a causa de restriccions en la complexitat i aritmètica de precisió finita en els receptors, és fonamental per al rendiment global del sistema un disseny acurat d'algorismes específics de processament de senyal. Aquesta tesi doctoral se centra en el processament de senyal tant en el transmissor com en el receptor per a sistemes TDT que implementen MIMO-BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) sense canal de tornada cap al transmissor des dels receptors. En el transmissor aquesta tesi presenta recerques en precoding MIMO en sistemes TDT per a superar les degradacions del sistema degudes a diferents condicions del canal. En el receptor es presta especial atenció al disseny i avaluació de receptors pràctics MIMO-BICM basats en informació quantificada i al seu impacte tant en la memòria del xip com en el rendiment del sistema. Aquestes recerques es duen a terme en el context d'estandardització de DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld), l'evolució portàtil de DVB-T2 (Second Generation Terrestrial), i ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Commitee - Third Generation) que incorporen MIMO-BICM com a clau tecnològica per a superar el límit de Shannon per a comunicacions amb una única antena. No obstant açò, aquesta tesi doctoral empra un mètode genèric tant per al disseny, anàlisi i avaluació, per la qual cosa els resultats i idees poden ser aplicats a altres sistemes de comunicació sense fils que empren MIMO-BICM.Vargas Paredero, DE. (2016). Transmit and Receive Signal Processing for MIMO Terrestrial Broadcast Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/66081TESISPremiad

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

5G New Radio for Terrestrial Broadcast: A Forward-Looking Approach for NR-MBMS

"© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permissíon from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertisíng or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works."[EN] 3GPP LTE eMBMS release (Rel-) 14, also referred to as further evolved multimedia broadcast multicast service (FeMBMS) or enhanced TV (EnTV), is the first mobile broadband technology standard to incorporate a transmission mode designed to deliver terrestrial broadcast services from conventional high power high tower (HPHT) broadcast infrastructure. With respect to the physical layer, the main improvements in FeMBMS are the support of larger inter-site distance for single frequency networks (SFNs) and the ability to allocate 100% of a carrier's resources to the broadcast payload, with self-contained signaling in the downlink. From the system architecture perspective, a receive-only mode enables free-to-air (FTA) reception with no need for an uplink or SIM card, thus receiving content without user equipment registration with a network. These functionalities are only available in the LTE advanced pro specifications as 5G new radio (NR), standardized in 3GPP from Rel-15, has so far focused entirely on unicast. This paper outlines a physical layer design for NR-MBMS, a system derived, with minor modifications, from the 5G-NR specifications, and suitable for the transmission of linear TV and radio services in either single-cell or SFN operation. This paper evaluates the NR-MBMS proposition and compares it to LTE-based FeMBMS in terms of flexibility, performance, capacity, and coverage.This work was supported in part by the European Commission through the 5G-PPP Project 5G-Xcast (H2020-ICT-2016-2 call) under Grant 761498.Gimenez, JJ.; Carcel, JL.; Fuentes, M.; Garro, E.; Elliott, S.; Vargas, D.; Menzel, C.... (2019). 5G New Radio for Terrestrial Broadcast: A Forward-Looking Approach for NR-MBMS. IEEE Transactions on Broadcasting. 65(2):356-368. https://doi.org/10.1109/TBC.2019.291211735636865