Space-time coding techniques with bit-interleaved coded modulations for MIMO block-fading channels

The space-time bit-interleaved coded modulation (ST-BICM) is an efficient technique to obtain high diversity and coding gain on a block-fading MIMO channel. Its maximum-likelihood (ML) performance is computed under ideal interleaving conditions, which enables a global optimization taking into account channel coding. Thanks to a diversity upperbound derived from the Singleton bound, an appropriate choice of the time dimension of the space-time coding is possible, which maximizes diversity while minimizing complexity. Based on the analysis, an optimized interleaver and a set of linear precoders, called dispersive nucleo algebraic (DNA) precoders are proposed. The proposed precoders have good performance with respect to the state of the art and exist for any number of transmit antennas and any time dimension. With turbo codes, they exhibit a frame error rate which does not increase with frame length.Comment: Submitted to IEEE Trans. on Information Theory, Submission: January 2006 - First review: June 200

Burst-by-Burst Adaptive Decision Feedback Equalised TCM, TTCM and BICM for H.263-Assisted Wireless Video Telephony

Decision Feedback Equaliser (DFE) aided wideband Burst-by-Burst (BbB) Adaptive Trellis Coded Modulation (TCM), Turbo Trellis Coded Modulation (TTCM) and Bit-Interleaved Coded Modulation (BICM) assisted H.263-based video transceivers are proposed and characterised in performance terms when communicating over the COST 207 Typical Urban wideband fading channel. Specifically, four different modulation modes, namely 4QAM, 8PSK, 16QAM and 64QAM are invoked and protected by the above-mentioned coded modulation schemes. The TTCM assisted scheme was found to provide the best video performance, although at the cost of the highest complexity. A range of lower-complexity arrangements will also be characterised. Finally, in order to confirm these findings in an important practical environment, we have also investigated the adaptive TTCM scheme in the CDMA-based Universal Mobile Telecommunications System's (UMTS) Terrestrial Radio Access (UTRA) scenario and the good performance of adaptive TTCM scheme recorded when communicating over the COST 207 channels was retained in the UTRA environment

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

Physical Layer Performance Evaluation of LTE-Advanced Pro Broadcast and ATSC 3.0 Systems

This work provides a detailed performance analysis of the physical layer of two state-of-the-art point-to-multipoint (PTM) technologies: evolved Multimedia Broadcast Multicast Services (eMBMS) and Advanced Television Systems Committee - Third Generation (ATSC 3.0). The performance of these technologies is evaluated and compared using link-level simulations, considering relevant identified scenarios. A selection of Key Performance Indicators (KPI) for the International Mobile Telecommunications 2020 (IMT-2020) evaluation process has been considered. Representative use cases are also aligned to the test environments as defined in the IMT-2020 evaluation guidelines. It is observed that ATSC 3.0 outperforms both eMBMS solutions, i.e. MBMS over Single Frequency Networks (MBSFN) and Single-Cell PTM (SC-PTM) in terms of spectral efficiency, peak data rate and mobility, among others. This performance evaluation serves as a benchmark for comparison with a potential 5G PTM solution

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

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

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