Performance Prediction of Nonbinary Forward Error Correction in Optical Transmission Experiments

In this paper, we compare different metrics to predict the error rate of optical systems based on nonbinary forward error correction (FEC). It is shown that the correct metric to predict the performance of coded modulation based on nonbinary FEC is the mutual information. The accuracy of the prediction is verified in a detailed example with multiple constellation formats, FEC overheads in both simulations and optical transmission experiments over a recirculating loop. It is shown that the employed FEC codes must be universal if performance prediction based on thresholds is used. A tutorial introduction into the computation of the threshold from optical transmission measurements is also given.Comment: submitted to IEEE/OSA Journal of Lightwave Technolog

HARQ Buffer Management: An Information-Theoretic View

A key practical constraint on the design of Hybrid automatic repeat request (HARQ) schemes is the size of the on-chip buffer that is available at the receiver to store previously received packets. In fact, in modern wireless standards such as LTE and LTE-A, the HARQ buffer size is one of the main drivers of the modem area and power consumption. This has recently highlighted the importance of HARQ buffer management, that is, of the use of buffer-aware transmission schemes and of advanced compression policies for the storage of received data. This work investigates HARQ buffer management by leveraging information-theoretic achievability arguments based on random coding. Specifically, standard HARQ schemes, namely Type-I, Chase Combining and Incremental Redundancy, are first studied under the assumption of a finite-capacity HARQ buffer by considering both coded modulation, via Gaussian signaling, and Bit Interleaved Coded Modulation (BICM). The analysis sheds light on the impact of different compression strategies, namely the conventional compression log-likelihood ratios and the direct digitization of baseband signals, on the throughput. Then, coding strategies based on layered modulation and optimized coding blocklength are investigated, highlighting the benefits of HARQ buffer-aware transmission schemes. The optimization of baseband compression for multiple-antenna links is also studied, demonstrating the optimality of a transform coding approach.Comment: submitted to IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT) 2015. 29 pages, 12 figures, submitted to journal publicatio

Iterative Detection of Diagonal Block Space Time Trellis Codes, TCM and Reversible Variable Length Codes for Transmission over Rayleigh Fading Channels

Iterative detection of Diagonal Block Space Time Trellis Codes (DBSTTCs), Trellis Coded Modulation (TCM) and Reversible Variable Length Codes (RVLCs) is proposed. With the aid of efficient iterative decoding, the proposed scheme is capable of providing full transmit diversity and a near channel capacity performance. The performance of the proposed scheme was evaluated when communicating over uncorrelated Rayleigh fading channels. Explicitly, significant iteration gains were achieved by the proposed scheme, which was capable of performing within 2~dB from the channel capacity

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

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

Probabilistic Shaping for Finite Blocklengths: Distribution Matching and Sphere Shaping

In this paper, we provide for the first time a systematic comparison of distribution matching (DM) and sphere shaping (SpSh) algorithms for short blocklength probabilistic amplitude shaping. For asymptotically large blocklengths, constant composition distribution matching (CCDM) is known to generate the target capacity-achieving distribution. As the blocklength decreases, however, the resulting rate loss diminishes the efficiency of CCDM. We claim that for such short blocklengths and over the additive white Gaussian channel (AWGN), the objective of shaping should be reformulated as obtaining the most energy-efficient signal space for a given rate (rather than matching distributions). In light of this interpretation, multiset-partition DM (MPDM), enumerative sphere shaping (ESS) and shell mapping (SM), are reviewed as energy-efficient shaping techniques. Numerical results show that MPDM and SpSh have smaller rate losses than CCDM. SpSh--whose sole objective is to maximize the energy efficiency--is shown to have the minimum rate loss amongst all. We provide simulation results of the end-to-end decoding performance showing that up to 1 dB improvement in power efficiency over uniform signaling can be obtained with MPDM and SpSh at blocklengths around 200. Finally, we present a discussion on the complexity of these algorithms from the perspective of latency, storage and computations.Comment: 18 pages, 10 figure

Advanced constellation and demapper schemes for next generation digital terrestrial television broadcasting systems

206 p.Esta tesis presenta un nuevo tipo de constelaciones llamadas no uniformes. Estos esquemas presentan una eficacia de hasta 1,8 dB superior a las utilizadas en los últimos sistemas de comunicaciones de televisión digital terrestre y son extrapolables a cualquier otro sistema de comunicaciones (satélite, móvil, cable¿). Además, este trabajo contribuye al diseño de constelaciones con una nueva metodología que reduce el tiempo de optimización de días/horas (metodologías actuales) a horas/minutos con la misma eficiencia. Todas las constelaciones diseñadas se testean bajo una plataforma creada en esta tesis que simula el estándar de radiodifusión terrestre más avanzado hasta la fecha (ATSC 3.0) bajo condiciones reales de funcionamiento.Por otro lado, para disminuir la latencia de decodificación de estas constelaciones esta tesis propone dos técnicas de detección/demapeo. Una es para constelaciones no uniformes de dos dimensiones la cual disminuye hasta en un 99,7% la complejidad del demapeo sin empeorar el funcionamiento del sistema. La segunda técnica de detección se centra en las constelaciones no uniformes de una dimensión y presenta hasta un 87,5% de reducción de la complejidad del receptor sin pérdidas en el rendimiento.Por último, este trabajo expone un completo estado del arte sobre tipos de constelaciones, modelos de sistema, y diseño/demapeo de constelaciones. Este estudio es el primero realizado en este campo

EXIT charts for system design and analysis

Near-capacity performance may be achieved with the aid of iterative decoding, where extrinsic soft information is exchanged between the constituent decoders in order to improve the attainable system performance. Extrinsic information Transfer (EXIT) charts constitute a powerful semi-analytical tool used for analysing and designing iteratively decoded systems. In this tutorial, we commence by providing a rudimentary overview of the iterative decoding principle and the concept of soft information exchange. We then elaborate on the concept of EXIT charts using three iteratively decoded prototype systems as design examples. We conclude by illustrating further applications of EXIT charts, including near-capacity designs, the concept of irregular codes and the design of modulation schemes