Two-Layered Superposition of Broadcast/Multicast and Unicast Signals in Multiuser OFDMA Systems

We study optimal delivery strategies of one common and $K$ independent messages from a source to multiple users in wireless environments. In particular, two-layered superposition of broadcast/multicast and unicast signals is considered in a downlink multiuser OFDMA system. In the literature and industry, the two-layer superposition is often considered as a pragmatic approach to make a compromise between the simple but suboptimal orthogonal multiplexing (OM) and the optimal but complex fully-layered non-orthogonal multiplexing. In this work, we show that only two-layers are necessary to achieve the maximum sum-rate when the common message has higher priority than the $K$ individual unicast messages, and OM cannot be sum-rate optimal in general. We develop an algorithm that finds the optimal power allocation over the two-layers and across the OFDMA radio resources in static channels and a class of fading channels. Two main use-cases are considered: i) Multicast and unicast multiplexing when $K$ users with uplink capabilities request both common and independent messages, and ii) broadcast and unicast multiplexing when the common message targets receive-only devices and $K$ users with uplink capabilities additionally request independent messages. Finally, we develop a transceiver design for broadcast/multicast and unicast superposition transmission based on LTE-A-Pro physical layer and show with numerical evaluations in mobile environments with multipath propagation that the capacity improvements can be translated into significant practical performance gains compared to the orthogonal schemes in the 3GPP specifications. We also analyze the impact of real channel estimation and show that significant gains in terms of spectral efficiency or coverage area are still available even with estimation errors and imperfect interference cancellation for the two-layered superposition system

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

Single-Frequency Network Terrestrial Broadcasting with 5GNR Numerology

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

Radio resource allocation algorithms for multicast OFDM systems

Mención Internacional en el título de doctorVideo services have become highly demanded in mobile networks leading to an unprecedented traffic growth. It is expected that traffic from wireless and mobile devices will account for nearly 70 percent of total IP traffic by the year 2020, and the video services will account for nearly 75 percent of mobile data traffic by 2022. Multicast transmission is one of the key enablers towards a more spectral and energy efficient distribution of multimedia content in current and envisaged mobile networks. It is worth noting that multicast is a mechanism that efficiently delivers the same content to many users, not only focusing on video broadcasting, but also distributing many other media, such as software updates, weather forecast or breaking news. Although multicast services are available in Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A) networks, new improvements are needed in some areas to handle the demands expected in the near future. Resource allocation techniques for multicast services are one of the main challenging issues, since it is required the development of novel schemes to meet the demands of their evolution towards the next generation. Most multicast techniques adopt rather conservative strategies that select a very robust modulation and coding scheme (MCS), whose characteristics are determined by the propagation conditions experienced by the worst user in the group in order to ensure that all users in a multicast group are able to correctly decode the received data. Obviously, this robustness comes at the prize of a low spectral efficiency. This thesis presents an exhaustive study of broadcast/multicast technology for current mobile networks, especially focusing on the scheduling and resource allocation (SRA) strategies to maximize the potential benefits that multicast transmissions imply on the spectral efficiency. Based on that issue, some contributions have been made to the state of the art in the radio resource management (RRM) for current and beyond mobile multicast services. • In the frame of LTE/LTE-A, the evolved multimedia broadcast and multicast service (eMBMS) shares the physical layer resources with the unicast transmission mode (at least up to Release 12). Consequently, the time allocation to multicast transmission is limited to a maximum of a 60 percent, and the remaining subframes (at least 40 percent) are reserved for unicast transmissions. With the aim of achieving the maximum aggregated data rate (ADR) among the multicast users, we have implemented several innovative SRA schemes that combine the allocation of multicast and unicast resources in the LTE/LTE-A frame, guaranteeing the prescribed quality of service (QoS) requirements for every user. • In the specific context of wideband communication systems, the selection of the multicast MCS has often relied on the use of wideband channel quality indicators (CQIs), providing rather imprecise information regarding the potential capacity of the multicast channel. Only recently has the per-subband CQI been used to improve the spectral efficiency of the system without compromising the link robustness. We have proposed novel subband CQI-based multicast SRA strategies that, relying on the selection of more spectrally efficient transmission modes, lead to increased data rates while still being able to fulfill prescribed QoS metrics. • Mobile broadcast/multicast video services require effective and low complexity SRA strategies. We have proposed an SRA strategy based on multicast subgrouping and the scalable video coding (SVC) technique for multicast video delivery. This scheme focuses on reducing the search space of solutions and optimizes the ADR. The results in terms of ADR, spectral efficiency, and fairness among multicast users, along with the low complexity of the algorithm, show that this new scheme is adequate for real systems. These contributions are intended to serve as a reference that motivate ongoing and future investigation in the challenging field of RRM for broadcast/ multicast services in next generation mobile networks.La demanda de servicios de vídeo en las redes móviles ha sufrido un incremento exponencial en los últimos años, lo que a su vez ha desembocado en un aumento sin precedentes del tráfico de datos. Se espera que antes del año 2020, el trafico debido a dispositivos móviles alcance cerca del 70 por ciento del tráfico IP total, mientras que se prevé que los servicios de vídeo sean prácticamente el 75 por ciento del tráfico de datos en las redes móviles hacia el 2022. Las transmisiones multicast son una de las tecnologías clave para conseguir una distribución más eficiente, tanto espectral como energéticamente, del contenido multimedia en las redes móviles actuales y futuras. Merece la pena reseñar que el multicast es un mecanismo de entrega del mismo contenido a muchos usuarios, que no se enfoca exclusivamente en la distribución de vídeo, sino que también permite la distribución de otros muchos contenidos, como actualizaciones software, información meteorológica o noticias de última hora. A pesar de que los servicios multicast ya se encuentran disponibles en las redes Long Term Evolution (LTE) y LTE-Advanced (LTE-A), la mejora en algunos ámbitos resulta necesaria para manejar las demandas que se prevén a corto plazo. Las técnicas de asignación de recursos para los servicios multicast suponen uno de los mayores desafíos, ya que es necesario el desarrollo de nuevos esquemas que nos permitan acometer las exigencias que supone su evolución hacia la próxima generación. La mayor parte de las técnicas multicast adoptan estrategias conservadoras, seleccionando esquemas de modulación y codificación (MCS) impuestos por las condiciones de propagación que experimenta el usuario del grupo con peor canal, para así asegurar que todos los usuarios pertenecientes al grupo multicast sean capaces de decodificar correctamente los datos recibidos. Como resulta obvio, la utilización de esquemas tan robustos conlleva el precio de sufrir una baja eficiencia espectral. Esta tesis presenta un exhaustivo estudio de la tecnología broadcast/ multicast para las redes móviles actuales, que se centra especialmente en las estrategias de asignación de recursos (SRA), cuyo objetivo es maximizar los beneficios que la utilización de transmisiones multicast potencialmente implica en términos de eficiencia espectral. A partir de dicho estudio, hemos realizado varias contribuciones al estado del arte en el ámbito de la gestión de recursos radio (RRM) para los servicios multicast, aplicables en las redes móviles actuales y futuras. • En el marco de LTE/LTE-A, el eMBMS comparte los recursos de la capa física con las transmisiones unicast (al menos hasta la revisión 12). Por lo tanto, la disponibilidad temporal de las transmisiones multicast está limitada a un máximo del 60 por ciento, reservándose las subtramas restantes (al menos el 40 por ciento) para las transmisiones unicast. Con el objetivo de alcanzar la máxima tasa total de datos (ADR) entre los usuarios multicast, hemos implementado varios esquemas innovadores de SRA que combinan la asignación de los recursos multicast y unicast de la trama LTE/LTE-A, garantizando los requisitos de QoS a cada usuario. • En los sistemas de comunicaciones de banda ancha, la selección del MCS para transmisiones multicast se basa habitualmente en la utilización de CQIs de banda ancha, lo que proporciona información bastante imprecisa acerca de la capacidad potencial del canal multicast. Recientemente se ha empezado a utilizar el CQI por subbanda para mejorar la eficiencia espectral del sistema sin comprometer la robustez de los enlaces. Hemos propuesto nuevas estrategias para SRA multicast basadas en el CQI por subbanda que, basándose en la selección de los modos de transmisión con mayor eficiencia espectral, conducen a mejores tasas de datos, a la vez que permiten cumplir los requisitos de QoS. • Los servicios móviles de vídeo broadcast/multicast precisan estrategias eficientes de SRA con baja complejidad. Hemos propuesto una estrategia de SRA basada en subgrupos multicast y la técnica de codificación de vídeo escalable (SVC) para la difusión de vídeo multicast, la cual se centra en reducir el espacio de búsqueda de soluciones y optimizar el ADR. Los resultados obtenidos en términos de ADR, eficiencia espectral y equidad entre los usuarios multicast, junto con la baja complejidad del algoritmo, ponen de manifiesto que el esquema propuesto es adecuado para su implantación en sistemas reales. Estas contribuciones pretenden servir de referencia que motive la investigación actual y futura en el interesante ámbito de RRM para los servicios broadcast/multicast en las redes móviles de próxima generación.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Atilio Manuel Da Silva Gameiro.- Secretario: Víctor Pedro Gil Jiménez.- Vocal: María de Diego Antó

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

Models and Methods for Network Selection and Balancing in Heterogeneous Scenarios

The outbreak of 5G technologies for wireless communications can be considered a response to the need for widespread coverage, in terms of connectivity and bandwidth, to guarantee broadband services, such as streaming or on-demand programs offered by the main television networks or new generation services based on augmented and virtual reality (AR / VR). The purpose of the study conducted for this thesis aims to solve two of the main problems that will occur with the outbreak of 5G, that is, the search for the best possible connectivity, in order to offer users the resources necessary to take advantage of the new generation services, and multicast as required by the eMBMS. The aim of the thesis is the search for innovative algorithms that will allow to obtain the best connectivity to offer users the resources necessary to use the 5G services in a heterogeneous scenario. Study UF that allows you to improve the search for the best candidate network and to achieve a balance that allows you to avoid congestion of the chosen networks. To achieve these two important focuses, I conducted a study on the main mathematical methods that made it possible to select the network based on QoS parameters based on the type of traffic made by users. A further goal was to improve the computational computation performance they present. Furthermore, I carried out a study in order to obtain an innovative algorithm that would allow the management of multicast. The algorithm that has been implemented responds to the needs present in the eMBMS, in realistic scenarios

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

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

Quantifying Potential Energy Efficiency Gain in Green Cellular Wireless Networks

Conventional cellular wireless networks were designed with the purpose of providing high throughput for the user and high capacity for the service provider, without any provisions of energy efficiency. As a result, these networks have an enormous Carbon footprint. In this paper, we describe the sources of the inefficiencies in such networks. First we present results of the studies on how much Carbon footprint such networks generate. We also discuss how much more mobile traffic is expected to increase so that this Carbon footprint will even increase tremendously more. We then discuss specific sources of inefficiency and potential sources of improvement at the physical layer as well as at higher layers of the communication protocol hierarchy. In particular, considering that most of the energy inefficiency in cellular wireless networks is at the base stations, we discuss multi-tier networks and point to the potential of exploiting mobility patterns in order to use base station energy judiciously. We then investigate potential methods to reduce this inefficiency and quantify their individual contributions. By a consideration of the combination of all potential gains, we conclude that an improvement in energy consumption in cellular wireless networks by two orders of magnitude, or even more, is possible.Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:1210.843