On Transmission System Design for Wireless Broadcasting

This thesis considers aspects related to the design and standardisation of transmission systems for wireless broadcasting, comprising terrestrial and mobile reception. The purpose is to identify which factors influence the technical decisions and what issues could be better considered in the design process in order to assess different use cases, service scenarios and end-user quality. Further, the necessity of cross-layer optimisation for efficient data transmission is emphasised and means to take this into consideration are suggested. The work is mainly related terrestrial and mobile digital video broadcasting systems but many of the findings can be generalised also to other transmission systems and design processes. The work has led to three main conclusions. First, it is discovered that there are no sufficiently accurate error criteria for measuring the subjective perceived audiovisual quality that could be utilised in transmission system design. Means for designing new error criteria for mobile TV (television) services are suggested and similar work related to other services is recommended. Second, it is suggested that in addition to commercial requirements there should be technical requirements setting the frame work for the design process of a new transmission system. The technical requirements should include the assessed reception conditions, technical quality of service and service functionalities. Reception conditions comprise radio channel models, receiver types and antenna types. Technical quality of service consists of bandwidth, timeliness and reliability. Of these, the thesis focuses on radio channel models and errorcriteria (reliability) as two of the most important design challenges and provides means to optimise transmission parameters based on these. Third, the thesis argues that the most favourable development for wireless broadcasting would be a single system suitable for all scenarios of wireless broadcasting. It is claimed that there are no major technical obstacles to achieve this and that the recently published second generation digital terrestrial television broadcasting system provides a good basis. The challenges and opportunities of a universal wireless broadcasting system are discussed mainly from technical but briefly also from commercial and regulatory aspectSiirretty Doriast

Historical information aware unequal error protection of scalable HEVC/H.265 streaming over free space optical channels

Free space optical (FSO) systems are capable of supporting high data rates between fixed points in the context of flawless video communications. Layered video coding facilitates the creation of different-resolution subset layers for variablethroughput transmission scenarios. In this paper, we propose Historical information Aware Unequal Error Protection (HAUEP) for the scalable high efficiency video codec (SHVC) used for streaming over FSO channels. Specifically, the objective function (OF) of the current video frame is designed based on historical information of its dependent frames. By optimizing this OF, specific subset layers may be selected in conjunction with carefully selected forward error correction (FEC) coding rates, where the expected video distortion is minimized and the required bitrate is reduced under the constraint of a specific throughput. Our simulation results show that the proposed system outperforms the traditional equal error protection (EEP) scheme by about 4.5 dB of Eb=N0 at a peak signal-to-noise ratio (PSNR) of 33 dB. From a throughput-oriented perspective, HA-UEP is capable of reducing the throughput to about 30% compared to that of the EEP benchmarker, while achieving an Eb=N0 gain of 4.5 dB

Error and Congestion Resilient Video Streaming over Broadband Wireless

In this paper, error resilience is achieved by adaptive, application-layer rateless channel coding, which is used to protect H.264/Advanced Video Coding (AVC) codec data-partitioned videos. A packetization strategy is an effective tool to control error rates and, in the paper, source-coded data partitioning serves to allocate smaller packets to more important compressed video data. The scheme for doing this is applied to real-time streaming across a broadband wireless link. The advantages of rateless code rate adaptivity are then demonstrated in the paper. Because the data partitions of a video slice are each assigned to different network packets, in congestion-prone wireless networks the increased number of packets per slice and their size disparity may increase the packet loss rate from buffer overflows. As a form of congestion resilience, this paper recommends packet-size dependent scheduling as a relatively simple way of alleviating the buffer-overflow problem arising from data-partitioned packets. The paper also contributes an analysis of data partitioning and packet sizes as a prelude to considering scheduling regimes. The combination of adaptive channel coding and prioritized packetization for error resilience with packet-size dependent packet scheduling results in a robust streaming scheme specialized for broadband wireless and real-time streaming applications such as video conferencing, video telephony, and telemedicine

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

Rancang Bangun Software Sistem Monitoring TV Digital DVB-T2

Perkembangan teknologi digital telah mendukung penggunaan spektrum frekuensi secara efisien. Indonesia telah menetapkan standar sistem penyiaran TV digital menggunakan DVB-T2. Pemilihan teknologi tersebut bertujuan untuk meningkatkan kualitas penerimaan TV digital. Dengan menentukan paramater service level agreement dalam sistem monitoring maka pengawasan unjuk kerja transmisi pada sistem penerima TV digital dapat diatur sehingga kualitas layanan menjadi terjamin. Tugas akhir ini bertujuan untuk membangun perangkat lunak untuk sistem monitoring TV digital yang diimplementasikan pada sistem monitoring nasional DVB-T2. Perancangan dan implementasi sistem monitoring TV digital dilakukan dengan integrasi perangkat keras penerima TV digital dengan pemrograman C++. Software dikembangkan menggunakan Microsoft Visual Studio 2010. Aplikasi interface dirancang untuk komunikasi antara software dengan DekTec DTA-2131. Input pada aplikasi perangkat lunak berupa frekuensi yang dapat diatur nilainya kemudian sistem akan memproses pengukuran nilai parameter yang terdapat di frekuensi tersebut. Hasil implementasi dari software mampu menampilkan parameter service level agreement dan menunjukkan grafik respon waktu. Pengujian perangkat lunak dilakukan dengan menggunakan metode black-box, MOS, dan SUS. Kesesuaian input dan output parameter dalam pengujian black-box menunjukkan bahwa perangkat lunak telah memenuhi desain yang dibutuhkan. Skor rata – rata MOS sebesar 4,311818182 menunjukkan bahwa software sistem monitoring memiliki unjuk kerja yang baik. Selain itu, SUS memberikan nilai rata- rata 77,97 yang berarti software diterima oleh pengguna dan layak digunakan ================================================================================================================== The digital technology development has supported the use of frequency spectrum efficiently. Indonesia has set the standard digital TV broadcasting system using DVB-T2. The selection of these technologies aim to improve the quality of digital TV reception. By making parameter that differenciate service level agreement on the system monitoring and controlling performance summary transmission in receiver system digital TV can be stated that quality of service to be guaranteed. This final project aims to build software for digital TV monitoring system implemented on a national monitoring system DVB-T2. The design and implementation of digital TV monitoring system conducted by the integration of digital TV receiver hardware with programming in C ++. Software is developed using Microsoft Visual Studio 2010. The application interface is designed for communication between software with Dektec DTA-2131. Input on software applications such as frequency can be set value then the system will process the measurement parameter values contained in these frequencies. The results of the implementation of the software is able to display the service level agreement parameters and response time chart. Software testing has been done using black-box method, MOS, and SUS. Suitability of input and output parameters in black box testing indicates that the software has met the design needed. An average MOS scores 4,311818182 indicates a software monitoring system has a good performance. Additionally, SUS gives the average value of 77.97, which means the software is accepted by users and fit for use

Video over DSL with LDGM Codes for Interactive Applications

Digital Subscriber Line (DSL) network access is subject to error bursts, which, for interactive video, can introduce unacceptable latencies if video packets need to be re-sent. If the video packets are protected against errors with Forward Error Correction (FEC), calculation of the application-layer channel codes themselves may also introduce additional latency. This paper proposes Low-Density Generator Matrix (LDGM) codes rather than other popular codes because they are more suitable for interactive video streaming, not only for their computational simplicity but also for their licensing advantage. The paper demonstrates that a reduction of up to 4 dB in video distortion is achievable with LDGM Application Layer (AL) FEC. In addition, an extension to the LDGM scheme is demonstrated, which works by rearranging the columns of the parity check matrix so as to make it even more resilient to burst errors. Telemedicine and video conferencing are typical target applications

Reception performance studies for the evaluation and improvement of the new generation terrestrial television systems

270 p.La industria de la TV ha experimentado grandes cambios en las últimas décadas. Las expectativas cada vez mayores de los espectadores y la reducción del espectro disponible para los servicios de TV han provocado la necesidad de sistemas más robustos de Televisión Digital Terrestre (TDT).El primer intento de cumplir estos requisitos es el estándar europeo DVB-T2 (2009). La publicación de un nuevo estándar significa el inicio de un proceso de evaluación del rendimiento del mismo mediante, por ejemplo, estudios de cobertura u obtención de valores de umbral de relación señal / ruido (SNR). Al inicio de esta tesis, este proceso estaba casi terminado para recepción fija y móvil. Sin embargo, la recepción en interiores no se había estudiado en detalle. Por esta razón, esta tesis completa la evaluación de DVB-T2 en interiores y define una nueva metodología de evaluación optimizada para este escenario.A pesar de que DVB-T2 emplea tecnologías muy avanzadas, el sistema se definió hace casi diez años y desde entonces han aparecido nuevas técnicas avanzadas, como por ejemplo nuevos códigos de corrección de errores o la nueva técnica de multiplexación por división en capas (LDM). Estas nuevas técnicas tampoco han sido evaluadas en entornos de interior, por lo que esta tesis incluye el análisis de las mismas evaluando su idoneidad para mejorar el rendimiento de DVB-T2. Además, se ha comprobado que los algoritmos tradicionales de los receptores TDT no están optimizados para los nuevos escenarios en los que se consideran las señales multicapa y recepción móvil. Por esta razón, se han propuesto nuevos algoritmos para mejorar la recepción en este tipo de situaciones.El último intento de hacer frente a los altos requisitos actuales de TDT es el estándar americano ATSC 3.0 (2016). Al igual que con DVB-T2, se necesita proceso completo de evaluación del sistema. Por ello, en esta tesis se han realizado simulaciones y pruebas de laboratorio para completar el estudio de rendimiento de ATSC 3.0 en diferentes escenarios

VLSI decoding architectures: flexibility, robustness and performance

Stemming from previous studies on flexible LDPC decoders, this thesis work has been mainly focused on the development of flexible turbo and LDPC decoder designs, and on the narrowing of the power, area and speed gap they might present with respect to dedicated solutions. Additional studies have been carried out within the field of increased code performance and of decoder resiliency to hardware errors. The first chapter regroups several main contributions in the design and implementation of flexible channel decoders. The first part concerns the design of a Network-on-Chip (NoC) serving as an interconnection network for a partially parallel LDPC decoder. A best-fit NoC architecture is designed and a complete multi-standard turbo/LDPC decoder is designed and implemented. Every time the code is changed, the decoder must be reconfigured. A number of variables influence the duration of the reconfiguration process, starting from the involved codes down to decoder design choices. These are taken in account in the flexible decoder designed, and novel traffic reduction and optimization methods are then implemented. In the second chapter a study on the early stopping of iterations for LDPC decoders is presented. The energy expenditure of any LDPC decoder is directly linked to the iterative nature of the decoding algorithm. We propose an innovative multi-standard early stopping criterion for LDPC decoders that observes the evolution of simple metrics and relies on on-the-fly threshold computation. Its effectiveness is evaluated against existing techniques both in terms of saved iterations and, after implementation, in terms of actual energy saving. The third chapter portrays a study on the resilience of LDPC decoders under the effect of memory errors. Given that the purpose of channel decoders is to correct errors, LDPC decoders are intrinsically characterized by a certain degree of resistance to hardware faults. This characteristic, together with the soft nature of the stored values, results in LDPC decoders being affected differently according to the meaning of the wrong bits: ad-hoc error protection techniques, like the Unequal Error Protection devised in this chapter, can consequently be applied to different bits according to their significance. In the fourth chapter the serial concatenation of LDPC and turbo codes is presented. The concatenated FEC targets very high error correction capabilities, joining the performance of turbo codes at low SNR with that of LDPC codes at high SNR, and outperforming both current deep-space FEC schemes and concatenation-based FECs. A unified decoder for the concatenated scheme is subsequently propose

Reception performance studies for the evaluation and improvement of the new generation terrestrial television systems

270 p.La industria de la TV ha experimentado grandes cambios en las últimas décadas. Las expectativas cada vez mayores de los espectadores y la reducción del espectro disponible para los servicios de TV han provocado la necesidad de sistemas más robustos de Televisión Digital Terrestre (TDT).El primer intento de cumplir estos requisitos es el estándar europeo DVB-T2 (2009). La publicación de un nuevo estándar significa el inicio de un proceso de evaluación del rendimiento del mismo mediante, por ejemplo, estudios de cobertura u obtención de valores de umbral de relación señal / ruido (SNR). Al inicio de esta tesis, este proceso estaba casi terminado para recepción fija y móvil. Sin embargo, la recepción en interiores no se había estudiado en detalle. Por esta razón, esta tesis completa la evaluación de DVB-T2 en interiores y define una nueva metodología de evaluación optimizada para este escenario.A pesar de que DVB-T2 emplea tecnologías muy avanzadas, el sistema se definió hace casi diez años y desde entonces han aparecido nuevas técnicas avanzadas, como por ejemplo nuevos códigos de corrección de errores o la nueva técnica de multiplexación por división en capas (LDM). Estas nuevas técnicas tampoco han sido evaluadas en entornos de interior, por lo que esta tesis incluye el análisis de las mismas evaluando su idoneidad para mejorar el rendimiento de DVB-T2. Además, se ha comprobado que los algoritmos tradicionales de los receptores TDT no están optimizados para los nuevos escenarios en los que se consideran las señales multicapa y recepción móvil. Por esta razón, se han propuesto nuevos algoritmos para mejorar la recepción en este tipo de situaciones.El último intento de hacer frente a los altos requisitos actuales de TDT es el estándar americano ATSC 3.0 (2016). Al igual que con DVB-T2, se necesita proceso completo de evaluación del sistema. Por ello, en esta tesis se han realizado simulaciones y pruebas de laboratorio para completar el estudio de rendimiento de ATSC 3.0 en diferentes escenarios