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

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

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

Performance enhancement for LTE and beyond systems

A thesis submitted to the University of Bedfordshire, in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of PhilosophyWireless communication systems have undergone fast development in recent years. Based on GSM/EDGE and UMTS/HSPA, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) specified the Long Term Evolution (LTE) standard to cope with rapidly increasing demands, including capacity, coverage, and data rate. To achieve this goal, several key techniques have been adopted by LTE, such as Multiple-Input and Multiple-Output (MIMO), Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), and heterogeneous network (HetNet). However, there are some inherent drawbacks regarding these techniques. Direct conversion architecture is adopted to provide a simple, low cost transmitter solution. The problem of I/Q imbalance arises due to the imperfection of circuit components; the orthogonality of OFDM is vulnerable to carrier frequency offset (CFO) and sampling frequency offset (SFO). The doubly selective channel can also severely deteriorate the receiver performance. In addition, the deployment of Heterogeneous Network (HetNet), which permits the co-existence of macro and pico cells, incurs inter-cell interference for cell edge users. The impact of these factors then results in significant degradation in relation to system performance. This dissertation aims to investigate the key techniques which can be used to mitigate the above problems. First, I/Q imbalance for the wideband transmitter is studied and a self-IQ-demodulation based compensation scheme for frequencydependent (FD) I/Q imbalance is proposed. This combats the FD I/Q imbalance by using the internal diode of the transmitter and a specially designed test signal without any external calibration instruments or internal low-IF feedback path. The instrument test results show that the proposed scheme can enhance signal quality by 10 dB in terms of image rejection ratio (IRR). In addition to the I/Q imbalance, the system suffers from CFO, SFO and frequency-time selective channel. To mitigate this, a hybrid optimum OFDM receiver with decision feedback equalizer (DFE) to cope with the CFO, SFO and doubly selective channel. The algorithm firstly estimates the CFO and channel frequency response (CFR) in the coarse estimation, with the help of hybrid classical timing and frequency synchronization algorithms. Afterwards, a pilot-aided polynomial interpolation channel estimation, combined with a low complexity DFE scheme, based on minimum mean squared error (MMSE) criteria, is developed to alleviate the impact of the residual SFO, CFO, and Doppler effect. A subspace-based signal-to-noise ratio (SNR) estimation algorithm is proposed to estimate the SNR in the doubly selective channel. This provides prior knowledge for MMSE-DFE and automatic modulation and coding (AMC). Simulation results show that this proposed estimation algorithm significantly improves the system performance. In order to speed up algorithm verification process, an FPGA based co-simulation is developed. Inter-cell interference caused by the co-existence of macro and pico cells has a big impact on system performance. Although an almost blank subframe (ABS) is proposed to mitigate this problem, the residual control signal in the ABS still inevitably causes interference. Hence, a cell-specific reference signal (CRS) interference cancellation algorithm, utilizing the information in the ABS, is proposed. First, the timing and carrier frequency offset of the interference signal is compensated by utilizing the cross-correlation properties of the synchronization signal. Afterwards, the reference signal is generated locally and channel response is estimated by making use of channel statistics. Then, the interference signal is reconstructed based on the previous estimate of the channel, timing and carrier frequency offset. The interference is mitigated by subtracting the estimation of the interference signal and LLR puncturing. The block error rate (BLER) performance of the signal is notably improved by this algorithm, according to the simulation results of different channel scenarios. The proposed techniques provide low cost, low complexity solutions for LTE and beyond systems. The simulation and measurements show good overall system performance can be achieved

Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases

[EN] The first generation of Terrestrial Digital Television(DTV) has been in service for over a decade. In 2013, several countries have already completed the transition from Analog to Digital TV Broadcasting, most of which in Europe. In South America, after several studies and trials, Brazil adopted the Japanese standard with some innovations. Japan and Brazil started Digital Terrestrial Television Broadcasting (DTTB) services in December 2003 and December 2007 respectively, using Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial (ISDB-T), also known as ARIB STD-B31. In June 2005 the Committee for the Information Technology Area (CATI) of Brazilian Ministry of Science and Technology and Innovation MCTI approved the incorporation of the IC-Brazil Program, in the National Program for Microelectronics (PNM) . The main goals of IC-Brazil are the formal qualification of IC designers, support to the creation of semiconductors companies focused on projects of ICs within Brazil, and the attraction of semiconductors companies focused on the design and development of ICs in Brazil. The work presented in this thesis originated from the unique momentum created by the combination of the birth of Digital Television in Brazil and the creation of the IC-Brazil Program by the Brazilian government. Without this combination it would not have been possible to make these kind of projects in Brazil. These projects have been a long and costly journey, albeit scientifically and technologically worthy, towards a Brazilian DTV state-of-the-art low complexity Integrated Circuit, with good economy scale perspectives, due to the fact that at the beginning of this project ISDB-T standard was not adopted by several countries like DVB-T. During the development of the ISDB-T receiver proposed in this thesis, it was realized that due to the continental dimensions of Brazil, the DTTB would not be enough to cover the entire country with open DTV signal, specially for the case of remote localizations far from the high urban density regions. Then, Eldorado Research Institute and Idea! Electronic Systems, foresaw that, in a near future, there would be an open distribution system for high definition DTV over satellite, in Brazil. Based on that, it was decided by Eldorado Research Institute, that would be necessary to create a new ASIC for broadcast satellite reception. At that time DVB-S2 standard was the strongest candidate for that, and this assumption still stands nowadays. Therefore, it was decided to apply to a new round of resources funding from the MCTI - that was granted - in order to start the new project. This thesis discusses in details the Architecture and Algorithms proposed for the implementation of a low complexity Intermediate Frequency(IF) ISDB-T Receiver on Application Specific Integrated Circuit (ASIC) CMOS. The Architecture proposed here is highly based on the COordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) Algorithm, that is a simple and efficient algorithm suitable for VLSI implementations. The receiver copes with the impairments inherent to wireless channels transmission and the receiver crystals. The thesis also discusses the Methodology adopted and presents the implementation results. The receiver performance is presented and compared to those obtained by means of simulations. Furthermore, the thesis also presents the Architecture and Algorithms for a DVB-S2 receiver targeting its ASIC implementation. However, unlike the ISDB-T receiver, only preliminary ASIC implementation results are introduced. This was mainly done in order to have an early estimation of die area to prove that the project in ASIC is economically viable, as well as to verify possible bugs in early stage. As in the case of ISDB-T receiver, this receiver is highly based on CORDIC algorithm and it was prototyped in FPGA. The Methodology used for the second receiver is derived from that used for the ISDB-T receiver, with minor additions given the project characteristics.[ES] La primera generación de Televisión Digital Terrestre(DTV) ha estado en servicio por más de una década. En 2013, varios países completaron la transición de transmisión analógica a televisión digital, la mayoría de ellas en Europa. En América del Sur, después de varios estudios y ensayos, Brasil adoptó el estándar japonés con algunas innovaciones. Japón y Brasil comenzaron a prestar el servicio de Difusión de Televisión Digital Terrestre (DTTB) en diciembre de 2003 y diciembre de 2007 respectivamente, utilizando Radiodifusión Digital de Servicios Integrados Terrestres (ISDB-T), también conocida como ARIB STD-B31. En junio de 2005, el Comité del Área de Tecnología de la Información (CATI) del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Brasil - MCTI aprobó la incorporación del Programa CI-Brasil, en el Programa Nacional de Microelectrónica (PNM). Los principales objetivos de la CI-Brasil son la formación de diseñadores de CIs, apoyar la creación de empresas de semiconductores enfocadas en proyectos de circuitos integrados dentro de Brasil, y la atracción de empresas de semiconductores interesadas en el diseño y desarrollo de circuitos integrados. El trabajo presentado en esta tesis se originó en el impulso único creado por la combinación del nacimiento de la televisión digital en Brasil y la creación del Programa de CI-Brasil por el gobierno brasileño. Sin esta combinación no hubiera sido posible realizar este tipo de proyectos en Brasil. Estos proyectos han sido un trayecto largo y costoso, aunque meritorio desde el punto de vista científico y tecnológico, hacia un Circuito Integrado brasileño de punta y de baja complejidad para DTV, con buenas perspectivas de economía de escala debido al hecho que al inicio de este proyecto, el estándar ISDB-T no fue adoptado por varios países como DVB-T. Durante el desarrollo del receptor ISDB-T propuesto en esta tesis, se observó que debido a las dimensiones continentales de Brasil, la DTTB no sería suficiente para cubrir todo el país con la señal de televisión digital abierta, especialmente para el caso de localizaciones remotas, apartadas de las regiones de alta densidad urbana. En ese momento, el Instituto de Investigación Eldorado e Idea! Sistemas Electrónicos, previeron que en un futuro cercano habría un sistema de distribución abierto para DTV de alta definición por satélite en Brasil. Con base en eso, el Instituto de Investigación Eldorado decidió que sería necesario crear un nuevo ASIC para la recepción de radiodifusión por satélite, basada el estándar DVB-S2. En esta tesis se analiza en detalle la Arquitectura y algoritmos propuestos para la implementación de un receptor ISDB-T de baja complejidad y frecuencia intermedia (IF) en un Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC) CMOS. La arquitectura aquí propuesta se basa fuertemente en el algoritmo Computadora Digital para Rotación de Coordenadas (CORDIC), el cual es un algoritmo simple, eficiente y adecuado para implementaciones VLSI. El receptor hace frente a las deficiencias inherentes a las transmisiones por canales inalámbricos y los cristales del receptor. La tesis también analiza la metodología adoptada y presenta los resultados de la implementación. Por otro lado, la tesis también presenta la arquitectura y los algoritmos para un receptor DVB-S2 dirigido a la implementación en ASIC. Sin embargo, a diferencia del receptor ISDB-T, se introducen sólo los resultados preliminares de implementación en ASIC. Esto se hizo principalmente con el fin de tener una estimación temprana del área del die para demostrar que el proyecto en ASIC es económicamente viable, así como para verificar posibles errores en etapa temprana. Como en el caso de receptor ISDB-T, este receptor se basa fuertemente en el algoritmo CORDIC y fue un prototipado en FPGA. La metodología utilizada para el segundo receptor se deriva de la utilizada para el re[CA] La primera generació de Televisió Digital Terrestre (TDT) ha estat en servici durant més d'una dècada. En 2013, diversos països ja van completar la transició de la radiodifusió de televisió analògica a la digital, i la majoria van ser a Europa. A Amèrica del Sud, després de diversos estudis i assajos, Brasil va adoptar l'estàndard japonés amb algunes innovacions. Japó i Brasil van començar els servicis de Radiodifusió de Televisió Terrestre Digital (DTTB) al desembre de 2003 i al desembre de 2007, respectivament, utilitzant la Radiodifusió Digital amb Servicis Integrats de (ISDB-T), coneguda com a ARIB STD-B31. Al juny de 2005, el Comité de l'Àrea de Tecnologia de la Informació (CATI) del Ministeri de Ciència i Tecnologia i Innovació del Brasil (MCTI) va aprovar la incorporació del programa CI Brasil al Programa Nacional de Microelectrònica (PNM). Els principals objectius de CI Brasil són la qualificació formal dels dissenyadors de circuits integrats, el suport a la creació d'empreses de semiconductors centrades en projectes de circuits integrats dins del Brasil i l'atracció d'empreses de semiconductors centrades en el disseny i desenvolupament de circuits integrats. El treball presentat en esta tesi es va originar en l'impuls únic creat per la combinació del naixement de la televisió digital al Brasil i la creació del programa Brasil CI pel govern brasiler. Sense esta combinació no hauria estat possible realitzar este tipus de projectes a Brasil. Estos projectes han suposat un viatge llarg i costós, tot i que digne científicament i tecnològica, cap a un circuit integrat punter de baixa complexitat per a la TDT brasilera, amb bones perspectives d'economia d'escala perquè a l'inici d'este projecte l'estàndard ISDB-T no va ser adoptat per diversos països, com el DVB-T. Durant el desenvolupament del receptor de ISDB-T proposat en esta tesi, va resultar que, a causa de les dimensions continentals de Brasil, la DTTB no seria suficient per cobrir tot el país amb el senyal de TDT oberta, especialment pel que fa a les localitzacions remotes allunyades de les regions d'alta densitat urbana.. En este moment, l'Institut de Recerca Eldorado i Idea! Sistemes Electrònics van preveure que, en un futur pròxim, no hi hauria a Brasil un sistema de distribució oberta de TDT d'alta definició a través de satèl¿lit. D'acord amb això, l'Institut de Recerca Eldorado va decidir que seria necessari crear un nou ASIC per a la recepció de radiodifusió per satèl¿lit. basat en l'estàndard DVB-S2. En esta tesi s'analitza en detall l'arquitectura i els algorismes proposats per l'execució d'un receptor ISDB-T de Freqüència Intermèdia (FI) de baixa complexitat sobre CMOS de Circuit Integrat d'Aplicacions Específiques (ASIC). L'arquitectura ací proposada es basa molt en l'algorisme de l'Ordinador Digital de Rotació de Coordenades (CORDIC), que és un algorisme simple i eficient adequat per implementacions VLSI. El receptor fa front a les deficiències inherents a la transmissió de canals sense fil i els cristalls del receptor. Esta tesi també analitza la metodologia adoptada i presenta els resultats de l'execució. Es presenta el rendiment del receptor i es compara amb els obtinguts per mitjà de simulacions. D'altra banda, esta tesi també presenta l'arquitectura i els algorismes d'un receptor de DVB-S2 de cara a la seua implementació en ASIC. No obstant això, a diferència del receptor ISDB-T, només s'introdueixen resultats preliminars d'implementació en ASIC. Això es va fer principalment amb la finalitat de tenir una estimació primerenca de la zona de dau per demostrar que el projecte en ASIC és econòmicament viable, així com per verificar possibles errors en l'etapa primerenca. Com en el cas del receptor ISDB-T, este receptor es basa molt en l'algorisme CORDIC i va ser un prototip de FPGA. La metodologia utilitzada per al segon receptor es deriva de la utilitzada per al receptor IRodrigues De Lima, E. (2016). Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61967TESI

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

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

On the feasibility of the communications in the TVWS spectrum analysis and coexistence issue

In the last decade, the enormous growth in the wireless industry has come from using only a small part of the wireless spectrum, nominally less than 10% under 3 GHz. Nowadays, the vast majority of the available spectral resources have already been licensed. Measurements made by the Federal Communication Commission (FCC) have shown that a great part of the spectrum, although allocated, is virtually unused. For all this reasons, in the last years, several countries have already (USA) or are in the process (EU, China, Japan, South Korea) of switching off analog TV broadcasting in favor of Digital Terrestrial Television (DTT) broadcasting systems and digital switchover plans have driven a thorough review of TV spectrum exploitation. The resulting unused channels within this band are called “TV white spaces” (TVWS). Even after the redistribution of the digital TV channels, the problem of an efficient utilization of the allocated frequencies is still far from being solved. For example, there are still large territorial areas on which, although allocated, the TV channels result unused, due to coverage problems. New spectrum allocation approaches such as the dynamic spectrum access method have been studied. This new concept implies that the radio terminals have the capacity to monitor their own radio environment and consequently adapt to the transmission conditions on whatever frequency band are available (adaptive radio). If this concept is supplemented with the capacity of analyzing the surrounding radio environment in search of white spaces, the term adaptive radio is extended to Cognitive Radio (CR). The spectrum management rule of CR is that all new users for the spectrum are secondary (cognitive) users (SU) and requires that they must detect and avoid the primary (licensed) users (PU) in terms of used frequencies, transmission power and modulation scheme. In the TV bands specifically, the presence of PUs (e.g. TV broadcasters) can be revealed both performing a spectrum sensing operation and considering the information provided by the external databases called “geo-location databases” (GL-DB). The database provides, for a certain location, the list of the free TV channels and the allowable maximum effective isotropic radiated power (EIRP) for transmitting without harmful interference to incumbent users. Decision thresholds are still a critical parameter for protecting services in a scenario where cognitive devices would be operating. There are cases where the approach based on GL Spectrum Occupancy DB might not be available, either because the database does not exist for that area (for example in non densely populated areas) or in the case that access to the database is not possible (deep indoor operation, low populated areas etc.). Several studies have suggested that radio noise has increased significantly over the last decades and consequently the assumptions about decision thresholds and interference protection ratios might be outdated. The Hidden Node Margin (HNM) is a parameter that quantifies the difference between the potential interfered signal values at the location where it is measured or estimated by the cognitive device, and the actual value at the location where the receiving antenna for this signal is located. HNM is a key parameter to define the protection requirements that cognitive devices must comply in order not to create any harmful interference to broadcast receiving systems. In this context, this thesis goes in a precise direction, with four main topics related to the feasibility of communication cognitive systems operating in the TVWS, considering coexistence as the main operational issue. The first topic studies new spectrum sensing approaches in order to improve the more critical functionality of CRs. In the second topic an unlicensed indoor short-range distribution system for the wireless retransmission in the DTT band of High definition TV (HDTV) contents with immediate implementations as home entertainment systems has been carried out. The third topic of this thesis is about a particular database developed in order to provide information to easily calculate HNM values and associated statistics, TV Channel Occupancy and Man Made Noise Upper Limits. The empirical data for this work has been recorded in different locations of Spain and Italy during 2011 and 2012 thanks to the partnership between the Department of Electrical and Electronic Engineering (D.I.E.E.) of the University of Cagliari and the Department of Electronics and Telecommunications of the University of Bilbao (UPV/EHU). Finally in the last topic we focus on the IEEE 802.22 WRAN standard evaluating, thanks to extended measurements, the performance of an 802.22 system operating into the same coverage range of a DTT receiver