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

Detection and decoding algorithms of multi-antenna diversity techniques for terrestrial DVB systems

This PhD dissertation analyzes the behavior of multi-antenna diversity techniques in broadcasting scenarios of TDT (terrestrial digital television) systems and proposes a low-complexity detection and decoding design for their practical implementation. For that purpose, the transmission-reception chains of the European DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) and DVB-T2 standards have been implemented over which diversity and MIMO (multiple-input multiple-output) techniques have been assessed through Monte Carlo simulations. On one hand, the most important multi-antenna diversity techniques such as CDD (cyclic delay diversity), Alamouti code-based SFBC (space-frequency block coding) and MRC (maximum ratio combining), have been evaluated in a DVB-T system over both fixed and mobile Rayleigh and Ricean channels. With the DVB-T2 standard release, multi-antenna processing has actually been introduced in digital television systems. The distributed SFBC configuration proposed in DVB-T2 is analyzed from a performance point of view considering different propagation conditions in an SFN (single frequency network). On the other hand, error-performance and detection complexity analyses of 2x2 FRFD (full-rate full-diversity) SFBCs are carried out for last-generation DTV (digital television) systems. The use of channel coding based on LDPC (low-density parity check) codes in new standards such as DVB-T2, involves a soft-output MAP (maximum a posteriori ) detection which results in an increase of the detection complexity. In order to study the FRFD codes behavior in such a BICM (bit-interleaved coded modulation) scheme, the Golden code, which achieves the maximum coding gain, and the Sezginer-Sari code, which has a lower inherent detection complexity as an expense of sacrificing performance gain, have been chosen. Using LSD (list sphere decoder) detection, BER (bit error rate) performance and computational cost results are provided for TDT scenarios. In order to overcome the variable complexity of the LSD, LFSD (list fixed-complexity sphere decoder) detection is proposed for practical implementations. A redesign of the previously proposed LFSD algorithm for spatial multiplexing MIMO systems has been performed for FRFD SFBCs with close-to-LSD performance. Furthermore, an analysis of the number of candidates is carried out in order to maximize the eficiency of the algorithm. Due to its fixed complexity, the novel algorithm can be fully pipelined making feasible a realistic implementation in chip.Esta tesis analiza el comportamiento de las técnicas de diversidad multiantena en escenarios de radiodifusión TDT (televisión digital terrestre) y propone un diseño de baja complejidad para la detección de códigos SFBC (space-frequency block coding ) que facilita una posible implementación práctica. Para ello, se ha implementado la cadena de transmisión-recepción de los estándares europeos DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial ) y DVB-T2 como entorno de trabajo donde se han incluido y simulado diferentes técnicas de diversidad MIMO (multiple-input multiple-output ). Por un lado, se evalúan las técnicas de diversidad multiantena CDD ( cyclic delay diversity), SFBC con codi cación Alamouti y MRC (maximum ratio combining ) en escenarios fijos y móviles de canales tanto Rayleigh como Ricean para el sistema DVB-T. En DVB-T2, se analiza la tecnología multiantena propuesta por el estándar para diferentes escenarios de propagación dentro de redes SFN (single frequency network ). Por otro lado, se realiza un estudio sobre códigos FRFD (full-rate full-diversity ) SFBC para su posible inclusión en futuros estándares de televisión digital. El uso de codificaciones de canal más potentes, como los códigos LDPC (low-density parity check ), implica la utilización de una detección MAP (maximum a posteriori ) con salida soft, incrementando considerablemente la complejidad de la detección. Para realizar el correspondiente análisis de complejidad y rendimiento, se han escogidos dos códigos FRFD. Por un lado, el código Golden, que ofrece la máxima ganancia de código y, por otro, el código propuesto por Sezginer y Sari, que consigue reducir la complejidad de detección a costa de perder cierta ganancia de código. Se presentan resultados basados en curvas de BER (bit error rate) y número de operaciones sobre un sistema BICM (bit-interleaved coded modulation ) equivalente a DVB-T2 en escenarios TDT utilizando una detección LSD (list sphere decoder ). Para resolver el problema de la complejidad variable del algoritmo LSD, se realiza un rediseño del ya propuesto LFSD (list fixed-complexity sphere decoder ) para técnicas de multiplexación espacial considerando la estructura de los códigos FRFD SFBC. Asimismo, se evalúa el número de candidatos que ofrece un funcionamiento más eficiente con menor coste computacional. Los resultados de simulación basados en curvas de BER muestran rendimientos cercanos al detector LSD manteniendo el número de operaciones constante. Por lo tanto, este nuevo diseño permite su eficiente y práctica implementación en dispositivos reales.Doktoretza-tesi honen gai nagusia Lurreko Telebista Digitalerako antena anitzeko dibertsitate tekniken portaera ikertzea da, hartzailerako konplexutasun baxuko algoritmoen diseinua oinarri hartuta. Horretarako, Europako DVB-T eta DVB-T2 telebista digitaleko estandarren igorle-hartzaile kateen simulagailua inplementatzeaz gain, dibertsitate eta MIMO ( multipleinput multiple-output ) algoritmoak garatu eta aztertu dira. Lehenengo helburu gisa, CDD (cyclic delay diversity ), Alamouti kodean oinarritutako SFBC (space-frequency block coding ) eta MRC (maximum ratio combining ) teknikak ebaluatu dira Rayleigh eta Ricean ingurunetan, bai komunikazio nko zein mugikorretarako. Argitaratu berri den DVB-T2 estandarrak antena anitzeko prozesaketa telebista sistema digitalean sartu duenez, teknologia honen analisia egin da maiztasun bakarreko telebista sareetarako SFN (single frequency network ). Tesiaren helburu nagusia FRFD (full-rate full-diversity ) SFBC kodigoen ikerketa eta hauek telebista digitalaren estandar berrietan sartzea ahalbidetuko dituzten detekzio sistemen diseinua izan da. Kanalen kodi kazio indartsuagoak erabiltzeak, LDPC ( low-density parity check ) kodeak esaterako, MAP (maximum a posteriori ) algoritmoan oinarritutako soft irteeradun detektoreen erabilera dakar berekin, detekzioaren konplexutasuna areagotuz. Bi FRFD kode aukeratu dira errendimendu eta konplexutasun analisiak DVB-T2 bezalako BICM (bit-interleaved coded modulation ) sistemetan egiteko. Alde batetik, irabazi maximoa lortzen duen Golden kodea eta, bestetik, konplexutasun txikiagoa duen Sezginer eta Sarik proposatutako kodea erabili dira. Bit errore edo BER (bit error rate) tasan eta konputazio kostuan oinarrituta, emaitzak aurkeztu dira zerrenda dekodeatzaile esferikoa ( list sphere decoder, LSD) erabiliz. LSD-aren konplexutasun aldakorraren arazoa konpontzeko, ezpazio-multiplexazioko teknikarako LFSD (list xed-complexity sphere decoder ) algoritmoaren berdiseinua garatu da, FRFD SFBC kodeen egitura berezia kontuan hartuta. Algoritmoaren eraginkortasuna maximizatzeko kandidatuen zenbakia ebaluatzen da baita ere. LSD-en antzeko errendimendua duten BER gra ketan oinarritutako simulazio emaitzak aurkezten dira, eragiketa kopurua konstante eta LSD-arenaren baino murritzagoa mantenduz. Beraz, proposatutako diseinu eraginkorrak, FRFD SFBC antena anitzeko dibertsitatean oinarritutako eskemen inplementazioa ahalbidetu dezakete telebista digitalaren estandar berrietarako

Récepteur itératif pour les systèmes MIMO-OFDM basé sur le décodage sphérique : convergence, performance et complexité

Recently, iterative processing has been widely considered to achieve near-capacity performance and reliable high data rate transmission, for future wireless communication systems. However, such an iterative processing poses significant challenges for efficient receiver design. In this thesis, iterative receiver combining multiple-input multiple-output (MIMO) detection with channel decoding is investigated for high data rate transmission. The convergence, the performance and the computational complexity of the iterative receiver for MIMO-OFDM system are considered. First, we review the most relevant hard-output and soft-output MIMO detection algorithms based on sphere decoding, K-Best decoding, and interference cancellation. Consequently, a low-complexity K-best (LCK- Best) based decoder is proposed in order to substantially reduce the computational complexity without significant performance degradation. We then analyze the convergence behaviors of combining these detection algorithms with various forward error correction codes, namely LTE turbo decoder and LDPC decoder with the help of Extrinsic Information Transfer (EXIT) charts. Based on this analysis, a new scheduling order of the required inner and outer iterations is suggested. The performance of the proposed receiver is evaluated in various LTE channel environments, and compared with other MIMO detection schemes. Secondly, the computational complexity of the iterative receiver with different channel coding techniques is evaluated and compared for different modulation orders and coding rates. Simulation results show that our proposed approaches achieve near optimal performance but more importantly it can substantially reduce the computational complexity of the system. From a practical point of view, fixed-point representation is usually used in order to reduce the hardware costs in terms of area, power consumption and execution time. Therefore, we present efficient fixed point arithmetic of the proposed iterative receiver based on LC-KBest decoder. Additionally, the impact of the channel estimation on the system performance is studied. The proposed iterative receiver is tested in a real-time environment using the MIMO WARP platform.Pour permettre l’accroissement de débit et de robustesse dans les futurs systèmes de communication sans fil, les processus itératifs sont de plus considérés dans les récepteurs. Cependant, l’adoption d’un traitement itératif pose des défis importants dans la conception du récepteur. Dans cette thèse, un récepteur itératif combinant les techniques de détection multi-antennes avec le décodage de canal est étudié. Trois aspects sont considérés dans un contexte MIMOOFDM: la convergence, la performance et la complexité du récepteur. Dans un premier temps, nous étudions les différents algorithmes de détection MIMO à décision dure et souple basés sur l’égalisation, le décodage sphérique, le décodage K-Best et l’annulation d’interférence. Un décodeur K-best de faible complexité (LC-K-Best) est proposé pour réduire la complexité sans dégradation significative des performances. Nous analysons ensuite la convergence de la combinaison de ces algorithmes de détection avec différentes techniques de codage de canal, notamment le décodeur turbo et le décodeur LDPC en utilisant le diagramme EXIT. En se basant sur cette analyse, un nouvel ordonnancement des itérations internes et externes nécessaires est proposé. Les performances du récepteur ainsi proposé sont évaluées dans différents modèles de canal LTE, et comparées avec différentes techniques de détection MIMO. Ensuite, la complexité des récepteurs itératifs avec différentes techniques de codage de canal est étudiée et comparée pour différents modulations et rendement de code. Les résultats de simulation montrent que les approches proposées offrent un bon compromis entre performance et complexité. D’un point de vue implémentation, la représentation en virgule fixe est généralement utilisée afin de réduire les coûts en termes de surface, de consommation d’énergie et de temps d’exécution. Nous présentons ainsi une représentation en virgule fixe du récepteur itératif proposé basé sur le décodeur LC K-Best. En outre, nous étudions l’impact de l’estimation de canal sur la performance du système. Finalement, le récepteur MIMOOFDM itératif est testé sur la plateforme matérielle WARP, validant le schéma proposé

Hybrid solutions to instantaneous MIMO blind separation and decoding: narrowband, QAM and square cases

Future wireless communication systems are desired to support high data rates and high quality transmission when considering the growing multimedia applications. Increasing the channel throughput leads to the multiple input and multiple output and blind equalization techniques in recent years. Thereby blind MIMO equalization has attracted a great interest.Both system performance and computational complexities play important roles in real time communications. Reducing the computational load and providing accurate performances are the main challenges in present systems. In this thesis, a hybrid method which can provide an affordable complexity with good performance for Blind Equalization in large constellation MIMO systems is proposed first. Saving computational cost happens both in the signal sep- aration part and in signal detection part. First, based on Quadrature amplitude modulation signal characteristics, an efficient and simple nonlinear function for the Independent Compo- nent Analysis is introduced. Second, using the idea of the sphere decoding, we choose the soft information of channels in a sphere, and overcome the so- called curse of dimensionality of the Expectation Maximization (EM) algorithm and enhance the final results simultaneously. Mathematically, we demonstrate in the digital communication cases, the EM algorithm shows Newton -like convergence.Despite the widespread use of forward -error coding (FEC), most multiple input multiple output (MIMO) blind channel estimation techniques ignore its presence, and instead make the sim- plifying assumption that the transmitted symbols are uncoded. However, FEC induces code structure in the transmitted sequence that can be exploited to improve blind MIMO channel estimates. In final part of this work, we exploit the iterative channel estimation and decoding performance for blind MIMO equalization. Experiments show the improvements achievable by exploiting the existence of coding structures and that it can access the performance of a BCJR equalizer with perfect channel information in a reasonable SNR range. All results are confirmed experimentally for the example of blind equalization in block fading MIMO systems