Improving 3D-Turbo Code's BER Performance with a BICM System over Rayleigh Fading Channel

Classical Turbo code suffers from high error floor due to its small Minimum Hamming Distance (MHD). Newly-proposed 3D-Turbo code can effectively increase the MHD and achieve a lower error floor by adding a rate-1 post encoder. In 3D-Turbo codes, part of the parity bits from the classical Turbo encoder are further encoded through the post encoder. In this paper, a novel Bit-Interleaved Coded Modulation (BICM) system is proposed by combining rotated mapping Quadrature Amplitude Modulation (QAM) and 3D-Turbo code to improve the Bit Error Rate (BER) performance of 3D-Turbo code over Raleigh fading channel. A key-bit protection scheme and a Two-Dimension (2D) iterative soft demodulating-decoding algorithm are developed for the proposed BICM system. Simulation results show that the proposed system can obtain about 0.8-1.0 dB gain at BER of 10^{-6}, compared with the existing BICM system with Gray mapping QAM

MIMO Systems: Principles, Iterative Techniques, and advanced Polarization

International audienceThis chapter considers the principles of multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication systems as well as some recent accomplishments concerning their implementation. By employing multiple antennas at both transmitter and receiver, very high data rates can be achieved under the condition of deployment in a rich-scattering propagation medium. This interesting property of MIMO systems suggests their use in the future high-rate and high-quality wireless communication systems. Several concepts in MIMO systems are reviewed in this chapter. We first consider MIMO channel models and recall the basic principles of MIMO structures and channel modeling. We next study the MIMO channel capacity and present the early developments in these systems concerning the information theory aspect. Iterative signal detection is considered next; it considers iterative techniques for space-time decoding. As the capacity is inversely proportional to the spatial channel correlation, MIMO antennas should be sufficiently separated, usually by several wavelengths. In order to minimize antennas' deployment, we present advanced polarization diversity techniques for MIMO systems and explain how they can help to reduce the spatial correlation in order to achieve high transmission rates. We end the chapter by considering the application of MIMO systems in local area networks, as well as their potential in enhancing range, localization, and power efficiency of sensor networks

Self-concatenated coding for wireless communication systems

In this thesis, we have explored self-concatenated coding schemes that are designed for transmission over Additive White Gaussian Noise (AWGN) and uncorrelated Rayleigh fading channels. We designed both the symbol-based Self-ConcatenatedCodes considered using Trellis Coded Modulation (SECTCM) and bit-based Self- Concatenated Convolutional Codes (SECCC) using a Recursive Systematic Convolutional (RSC) encoder as constituent codes, respectively. The design of these codes was carried out with the aid of Extrinsic Information Transfer (EXIT) charts. The EXIT chart based design has been found an efficient tool in finding the decoding convergence threshold of the constituent codes. Additionally, in order to recover the information loss imposed by employing binary rather than non-binary schemes, a soft decision demapper was introduced in order to exchange extrinsic information withthe SECCC decoder. To analyse this information exchange 3D-EXIT chart analysis was invoked for visualizing the extrinsic information exchange between the proposed Iteratively Decoding aided SECCC and soft-decision demapper (SECCC-ID). Some of the proposed SECTCM, SECCC and SECCC-ID schemes perform within about 1 dB from the AWGN and Rayleigh fading channels’ capacity. A union bound analysis of SECCC codes was carried out to find the corresponding Bit Error Ratio (BER) floors. The union bound of SECCCs was derived for communications over both AWGN and uncorrelated Rayleigh fading channels, based on a novel interleaver concept.Application of SECCCs in both UltraWideBand (UWB) and state-of-the-art video-telephone schemes demonstrated its practical benefits.In order to further exploit the benefits of the low complexity design offered by SECCCs we explored their application in a distributed coding scheme designed for cooperative communications, where iterative detection is employed by exchanging extrinsic information between the decoders of SECCC and RSC at the destination. In the first transmission period of cooperation, the relay receives the potentially erroneous data and attempts to recover the information. The recovered information is then re-encoded at the relay using an RSC encoder. In the second transmission period this information is then retransmitted to the destination. The resultant symbols transmitted from the source and relay nodes can be viewed as the coded symbols of a three-component parallel-concatenated encoder. At the destination a Distributed Binary Self-Concatenated Coding scheme using Iterative Decoding (DSECCC-ID) was employed, where the two decoders (SECCC and RSC) exchange their extrinsic information. It was shown that the DSECCC-ID is a low-complexity scheme, yet capable of approaching the Discrete-input Continuous-output Memoryless Channels’s (DCMC) capacity.Finally, we considered coding schemes designed for two nodes communicating with each other with the aid of a relay node, where the relay receives information from the two nodes in the first transmission period. At the relay node we combine a powerful Superposition Coding (SPC) scheme with SECCC. It is assumed that decoding errors may be encountered at the relay node. The relay node then broadcasts this information in the second transmission period after re-encoding it, again, using a SECCC encoder. At the destination, the amalgamated block of Successive Interference Cancellation (SIC) scheme combined with SECCC then detects and decodes the signal either with or without the aid of a priori information. Our simulation results demonstrate that the proposed scheme is capable of reliably operating at a low BER for transmission over both AWGN and uncorrelated Rayleigh fading channels. We compare the proposed scheme’s performance to a direct transmission link between the two sources having the same throughput

Combined Time, Frecuency and Space Diversity in Multimedia Mobile Broadcasting Systems

El uso combinado de diversidad en el dominio temporal, frecuencial y espacial constituye una valiosa herramienta para mejorar la recepción de servicios de difusión móviles. Gracias a la mejora conseguida por las técnicas de diversidad es posible extender la cobertura de los servicios móviles además de reducir la infraestructura de red. La presente tesis investiga el uso de técnicas de diversidad para la provisión de servicios móviles en la familia europea de sistemas de difusión terrestres estandarizada por el prpoyecto DVB (Digital Video Broadcasting). Esto incluye la primera y segunda generación de sistemas DVB-T (Terrestrial), DVB-NGH (Handheld), y DVB-T2 (Terrestrial 2nd generation), así como el sistema de siguiente generación DVB-NGH. No obstante, el estudio llevado a cabo en la tesis es genérico y puede aplicarse a futuras evoluciones de estándares como el japonés ISDB-T o el americano ATSC. Las investigaciones realizadas dentro del contexto de DVB-T, DVB-H y DVBT2 tienen como objetivo la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles en redes terrestres. Esta Convergencia puede facilitar la introducción de servicios móviles de TB debido a la reutilización de espectro, contenido e infraestructura. De acuerdo a los resultados, la incorporación de entrelazado temporal en la capa física para diversidad temporal, y de single-input multiple-output (SIMO) para diversidad espacial, son esenciales para el rendimiento de sistemas móviles de difusión. A pesar de que las técnicas upper later FEC (UL-FEC) pueden propocionar diversidad temporal en sistemas de primera generación como DVB-T y DVB-H, requieren la transmisión de paridad adicional y no son útiles para la recepción estática. El análisis en t�ñerminos de link budjget revela que las técnicas de diversidad noson suficientes para facilitar la provision de servicios móviles en redes DVB-T y DVB-T2 planificadas para recepción fija. Sin embargo, el uso de diversidad en redes planificadas para recepción portableGozálvez Serrano, D. (2012). Combined Time, Frecuency and Space Diversity in Multimedia Mobile Broadcasting Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16273Palanci

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

MIMO Systems

In recent years, it was realized that the MIMO communication systems seems to be inevitable in accelerated evolution of high data rates applications due to their potential to dramatically increase the spectral efficiency and simultaneously sending individual information to the corresponding users in wireless systems. This book, intends to provide highlights of the current research topics in the field of MIMO system, to offer a snapshot of the recent advances and major issues faced today by the researchers in the MIMO related areas. The book is written by specialists working in universities and research centers all over the world to cover the fundamental principles and main advanced topics on high data rates wireless communications systems over MIMO channels. Moreover, the book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity

Multiuser non coherent massive MIMO schemes based on DPSK for future communication systems

The explosive usage of rich multimedia content in wireless devices has overloaded the communication networks. Moreover, the fifth generation (5G) of wireless communications involves new requirements in the radio access network (RAN) which require higher network capacities and new capabilities such as ultra-reliable and low-latency communication (URLLC), vehicular communications or augmented reality. All this has encouraged a remarkable spectrum crisis in the RF bands. A need for searching alternative techniques with more spectral efficiency to accommodate the needs of future emerging wireless communications is emerging. In this context, massive MIMO (m-MIMO) systems have been proposed as a promising solution for providing a substantial increase in the network capacity, becoming one of the key enabling technologies for 5G and beyond. m-MIMO provides high spectral- and energy-efficiency thanks to the deployment of a large number of antennas at the BS. However, we have to take into account that the current communication technologies are based on coherent transmission techniques so far, which require the transmission of a huge amount of signaling. This drawback is escalating with the excessive available number of antennas in m-MIMO. Therefore, the differential encoding and non coherent (NC) detection are an alternative solution to circumvent the drawbacks of m-MIMO in coherent systems. This Ph.D. Thesis is focused on signal processing techniques for NC detection in conjunction with m-MIMO, proposing new constellation designs and NC detection algorithms, where the information is transmitted in the signal differential phase. First, we design new constellation schemes for an uplink multiuser NC m-MIMO system in Rayleigh fading channels. These designs allow us to separate the users' signals at the receiver thanks to a one-to-one correspondence between the constellation for each user and the received joint constellation. Two approaches are considered in terms of BER: each user achieves a different performance and, on the other hand, the same performance is provided for all users. We analyze the number of antennas needed for those designs and compare to the required number by other designs in the literature. It is shown that our designs based on DPSK require a lower number of antennas than that required by their counterpart schemes based on energy. In addition, we compare the performance to their coherent counterpart systems, resulting NC-m-MIMO based on DPSK capable of outperforming the coherent systems with the suitable designs. Second, in order to reduce the number of antennas required for a target performance we propose a multi-user bit interleaved coded modulation - iterative decoding (BICM-ID) scheme as channel coding for a NC-m-MIMO system based on DPSK. We propose a novel NC approach for calculating EXIT curves based on the number of antennas. Then using the EXIT chart we find the best channel coding scheme for our NC-m-MIMO proposal. We show that the number of users served by the BS can be increased with a 70% reduction in the number of antennas with respect to the case without channel coding. In particular, we show that with 100 antennas for error protection equal design for all users and a coding rate of 1/2 we achieve the minimum probability of error. Third, we consider that current scenarios such as backhaul wireless systems, rural or suburban environments, and even new device-to-device (D2D) communications or the communications in higher frequencies (millimeter and the emerging ones in terahertz frequencies) can have a predominant line-of-sight (LOS) component, modeled by Rician fading. For all these new possible scenarios in 5G, we analyze the behavior of the NC m-MIMO systems when we have a Rician fading. We present a new constellation design to overcome the problem of the LOS channel component, as well as an associated detection algorithm to separate each user in reception taking into account the characterization of the constellation. In addition, for contemplating a more realistic scenario, we propose grouping users which experience a Rayleigh fading with those with Rician fading, analyzing the SINR and the performance of such combination in a multi-user NC m-MIMO system based on M-DPSK. The adequate user grouping allows unifying the constellation for both groups of users and the detection algorithm, reducing the complexity of the receiver. Also, the number of users that may be multiplexed may be further increased thanks to the improved performance. In the fourth part of this Thesis, we analyse the performance of multi-user NC m- MIMO based on DPSK in real environments and practical channels defined for the current standards such as LTE, the future technologies such as 5G and even for communications in the terahertz band. For this purpose, we use a metric to model the time-varying characteristics of the practical channels. We employ again the EXIT charts tool for analyzing and designing iteratively decoded systems. This analysis allows us to obtain an estimate of the degradation of the system's performance imposed by realistic channels. Hence, we show that our proposed system is robust to temporal variations, thus it is more recommendable the employment of NC-m-MIMO-DPSK in the future communication standards such as 5G. In order to reduce he number of hardware resources required in terms of RF chains, facilitating its implementation in a real system, we propose incorporating differential spatial modulation (DSM). We present and analyze a novel multiuser scheme for NC-m-MIMO combined with DSM with which we can see that the number of antennas is not a affected by the incorporation of DSM, even we have an improvement on the performance with respect to the coherent case. Finally, we study the viability of multiplexing users by constellation schemes against classical multiplexing techniques such as time division multiple access (TDMA). In order to fully characterize the system performance we analyze the block error rate (BLER) and the throughput of a NC-m-MIMO system. The results show a significant advantage regarding the number of antennas for multiplexing in the constellation against TDMA. However, in some cases, the demodulation of multiple users in constellation could require an excessively large number of antennas compared to TDMA. Therefore, it is necessary to properly manage the tradeoff between throughout and the number of antennas, to reach an optimal operational point, as shown in this Thesis.El inmenso uso de contenido multimedia en los dispositivos inalámbricos ha sobrecargado las redes de comunicaciones. Además, la quinta generación (5G) de sistemas de comunicaciones demanda nuevos requisitos para la red de acceso radio, la cual requiere ofrecer capacidades de red mayores y nuevas funcionalidades como comunicaciones ultra fiables y con muy poca letancia (URLLC), comunicaciones vehiculares o aplicaciones como la realidad aumentada. Todo esto ha propiciado una crisis notable en el espectro electromagnético, lo que ha llevado a una necesidad por buscar técnicas alternativas con más eficiencia espectral para acomodar todos los requisitos de las tecnologías de comunicaciones emergentes y futuras. En este contexto, los sistemas multi antena masivos, conocidos como massive MIMO, m-MIMO, han sido propuestos como una solución prometedora que proporciona un incremento substancial de la capacidad de red, convirtiéndose en una de las tecnologías claves para el 5G. Los sistemas m-MIMO elevan enormemente el número de antenas en la estación base, lo que les permite ofrecer alta eficiencia espectral y energética. No obstante, tenemos que tener en cuenta que las actuales tecnologías de comunicaciones emplean técnicas coherentes, las cuales requieren de información del estado del canal y por ello la transmisión de una enorme cantidad de información de señalización. Este inconveniente se ve agravado en el caso del m-MIMO debido al enorme número de antenas. Por ello, la codificación diferencial y la detección no coherente (NC) son una solución alternativa para solventar el problema de m-MIMO en los sistemas coherentes. Esta Tesis se centra en las técnicas de procesado de señal para detección NC junto con m-MIMO, proponiendo nuevos esquemas de constelación y algoritmos de detección NC, donde la información sea transmitida en la diferencia de fase de la señal. Primero, diseñamos nuevas constelaciones para un sistema multi usuario NC en m- MIMO en enlace ascendente (uplink) en canales con desvanecimiento tipo Rayleigh. Estos diseños nos permiten separar las señales de los usuarios en el receptor gracias a la correspondencia unívoca entre la constelación de cada usuario individual y la constelación conjunta recibida en la estación base. Hemos considerado dos enfoques para el diseño en términos de probabilidad de error: cada usuario consigue un rendimiento distinto, mientras que por otro lado, todos los usuarios son capaces de recibir las mismas prestaciones de probabilidad de error. Analizamos el número de antenas necesario para estos diseños y comparamos con el número requerido por otros diseños propuestos en la literatura. Nuestro diseño basado en DPSK requiere un número menor de antenas comparado con los sistemas basados en detección de energía. También comparamos con su homólogo coherente, resultando que NC-m-MIMO basado en DPSK es capaz de superar a los sistemas coherentes con los diseños adecuados. En segundo lugar, para reducir el número de antenas requerido para un rendimiento dado, proponemos incluir un esquema de codificación de canal. Hemos optado por un esquema de modulación codificado por bit entrelazado y decodificación iterativa (BICMID). Hemos empleado la herramienta EXIT chart para el diseño de la codificación de canal, proponiendo un nuevo enfoque para calcular las curvas EXIT de forma NC y basadas en el número de antenas. Los resultados muestran que el número de usuarios servidos por la estación base puede ser incrementado reduciendo un 70% el número de antenas con respecto al caso sin codificación de canal. En particular, para un array de 100 antenas y un diseño que ofrezca iguales prestaciones a todos los usuarios, con un código de tasa 1=2, podemos conseguir la mínima probabilidad de error. En tercer lugar, consideramos escenarios donde el canal tenga una componente predominante de visión directa (LOS) con la estación base modelada mediante un desvanecimiento tipo Rician. Por ejemplo, sistemas inalámbricos de backhaul, entornos rurales o sub urbanos, comunicaciones entre dispositivos (D2D), también cuando nos movemos hacia frecuencias superiores como son en la banda de milimétricas o más recientemente, la banda de terahercios para buscar mayores anchos de banda. Todos estos escenarios están contemplados en el futuro 5G. Los diseños presentados para canales Rayleigh ya no son válidos debido a la componente LOS del canal, por ello presentamos un nuevo diseño de constelación que resuelve el problema de la componente LOS, así como una guía para diseñar nuevas constelaciones. También proponemos un algoritmo asociado al diseñno de la constelación para poder separar a los usuarios en recepción. Además, para contemplar un escenario más realista donde podamos encontrar tanto desvanecimiento Rayleigh como Rice, proponemos agrupar usuarios de ambos grupos, analizando su rendimiento y relación señal a interferencia en la combinación. El adecuado agrupamiento permite unificar el diseño de la constelación para ambos desvanecimientos y por tanto reducir la complejidad en el receptor. También, el número de usuarios multiplicados en la constelación podría ser incrementado, gracias a la mejora en el rendimiento. El cuarto módulo de esta tesis es dedicado a analizar el rendimiento de los diseños propuestos en presencia de canales reales, donde disponemos de variabilidad temporal y en frecuencia. Proponemos usar una métrica que modela las características de la variabilidad temporal y, usando de nuevo la herramienta EXIT, analizamos los sistemas decodificados iterativamente considerando ahora los parámetros prácticos del canal. Este análisis nos permite obtener una estimación de la degradación que sufre el rendimiento del sistema impuesto por canales reales. Los resultados muestran que los sistemas NC-m-MIMO basados en DPSK son muy robustos a la variabilidad temporal por lo que son recomendables para los nuevos escenarios propuestos por el 5G, donde el canal cambia rápidamente. Otra consideración para introducir los sistemas NC con m-MIMO es la problemática de necesitar muchas cadenas de radio frecuencia que llevarían a tamaños de dispositivos enormes. Para reducir este número se propone la modulación espacial. En esta Tesis, estudiamos su uso con los sistemas NC, proponiendo una solución de modulación espacial diferencial para esquemas con múltiples usuarios combinado con NC-m-MIMO. Finalmente, estudiamos la viabilidad de multiplexar usuarios en la constelación frente a usar técnicas clásicas de multiplexación como TDMA. Para caracterizar completamente el rendimiento del sistema, analizamos la tasa de error de bloque (BLER) y el throughput de un sistema NC-m-MIMO. Los resultados muestran una ventaja significativa en cuanto al número de antennas para multiplexar usuarios en la constelación frente al requerido por TDMA. No obstante, en algunos casos, la demodulación de múltiples usuarios en la constelación podría requerir un número de antennas excesivamente grande comparado con la multiplexación en el tiempo. Por ello, es necesario gestionar adecuadamente un balance entre el throughput y el número de antenas para alcanzar un punto operacional óptimo, como se muestra en esta Tesis.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones por la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad Rey Juan CarlosPresidente: Ana Isabel Pérez Neira.- Secretario: Máximo Morales Céspedes.- Vocal: María del Carmen Aguayo Torre

Multidimensional Optimized Optical Modulation Formats

This chapter overviews the relatively large body of work (experimental and theoretical) on modulation formats for optical coherent links. It first gives basic definitions and performance metrics for modulation formats that are common in the literature. Then, the chapter discusses optimization of modulation formats in coded systems. It distinguishes between three cases, depending on the type of decoder employed, which pose quite different requirements on the choice of modulation format. The three cases are soft-decision decoding, hard-decision decoding, and iterative decoding, which loosely correspond to weak, medium, and strong coding, respectively. The chapter also discusses the realizations of the transmitter and transmission link properties and the receiver algorithms, including DSP and decoding. It further explains how to simply determine the transmitted symbol from the received 4D vector, without resorting to a full search of the Euclidean distances to all points in the whole constellation