General BER Expression for One-Dimensional Constellations

A novel general ready-to-use bit-error rate (BER) expression for one-dimensional constellations is developed. The BER analysis is performed for bit patterns that form a labeling. The number of patterns for equally spaced M-PAM constellations with different BER is analyzed.Comment: To appear in the Proceedings of the IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM) 2012. Remark 3 modifie

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

A Simple Approximation for the Bit-Interleaved Coded Modulation Capacity

The generalized mutual information (GMI) is an achievable rate for bit-interleaved coded modulation (BICM) and is highly dependent on the binary labeling of the constellation. The BICM-GMI, sometimes called the BICM capacity, can be evaluated numerically. This approach, however, becomes impractical when the number of constellation points and/or the constellation dimensionality grows, or when many different labelings are considered. A simple approximation for the BICM-GMI based on the area theorem of the demapper's extrinsic information transfer (EXIT) function is proposed. Numerical results show the proposed approximation gives good estimates of the BICM-GMI for labelings with close to linear EXIT functions, which includes labelings of common interest, such as the natural binary code, binary reflected Gray code, etc. This approximation is used to optimize the binary labeling of the 32-APSK constellation defined in the DVB-S2 standard. Gains of approximately 0.15 dB are obtained

Amplifier Limited Information Rates in High-Speed Optical Fiber Communication Systems

Due to the high transmission capacity, optical fiber systems have been extensively applied, as significant components, in the modern telecommunication infrastructure to meet the ever-increasing demand of data traffic. Optical amplifiers have been employed to amplify optical signals and to compensate for the transmission losses. They play a key role in relaying the signals in ultra-wideband optical fiber communication systems. However, the amplified spontaneous emission (ASE) noise will be introduced during such process, and it will degrade the performance of optical fiber systems and will pose constraints on the transmission information rates. The mutual information (MI) and the generalized mutual information (GMI) have been applied and investigated, as figures of merit, to evaluate the information rates in communication systems. The MI measures the highest achievable information rate (bits per symbol) that can be realized in a channel based on ideal symbol-wise encoder and decoder. The GMI, also known as the bit-interleaved coded modulation (BICM) capacity, indicates an upper bound on the number of bits per symbol that can be reliably transmitted through a channel based on the bit-wise decoding. Although the MI and the GMI are equal when the signal-to-noise ratio (SNR) tends to infinity, the MI is strictly higher than the GMI in any practical transmission scenarios. This discrepancy depends on the constellation cardinality and the binary labeling. In this work, we have investigated the impact of ASE noise on the MI and the GMI, and have developed corresponding analyses and estimations across different modulation formats, in linear optical fiber communication systems. Our work aims to explore the limit and requirements on optical amplifiers and to provide a comprehensive insight for the design of next-generation ultra-wideband optical fiber communication systems

Design and Implementation of Efficient Algorithms for Wireless MIMO Communication Systems

En la última década, uno de los avances tecnológicos más importantes que han hecho culminar la nueva generación de banda ancha inalámbrica es la comunicación mediante sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). Las tecnologías MIMO han sido adoptadas por muchos estándares inalámbricos tales como LTE, WiMAS y WLAN. Esto se debe principalmente a su capacidad de aumentar la máxima velocidad de transmisión , junto con la fiabilidad alcanzada y la cobertura de las comunicaciones inalámbricas actuales sin la necesidad de ancho de banda extra ni de potencia de transmisión adicional. Sin embargo, las ventajas proporcionadas por los sistemas MIMO se producen a expensas de un aumento sustancial del coste de implementación de múltiples antenas y de la complejidad del receptor, la cual tiene un gran impacto sobre el consumo de energía. Por esta razón, el diseño de receptores de baja complejidad es un tema importante que se abordará a lo largo de esta tesis. En primer lugar, se investiga el uso de técnicas de preprocesado de la matriz de canal MIMO bien para disminuir el coste computacional de decodificadores óptimos o bien para mejorar las prestaciones de detectores subóptimos lineales, SIC o de búsqueda en árbol. Se presenta una descripción detallada de dos técnicas de preprocesado ampliamente utilizadas: el método de Lenstra, Lenstra, Lovasz (LLL) para lattice reduction (LR) y el algorimo VBLAST ZF-DFE. Tanto la complejidad como las prestaciones de ambos métodos se han evaluado y comparado entre sí. Además, se propone una implementación de bajo coste del algoritmo VBLAST ZF-DFE, la cual se incluye en la evaluación. En segundo lugar, se ha desarrollado un detector MIMO basado en búsqueda en árbol de baja complejidad, denominado detector K-Best de amplitud variable (VB K-Best). La idea principal de este método es aprovechar el impacto del número de condición de la matriz de canal sobre la detección de datos con el fin de disminuir la complejidad de los sistemasRoger Varea, S. (2012). Design and Implementation of Efficient Algorithms for Wireless MIMO Communication Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16562Palanci

Combined Time, Frecuency and Space Diversity in Multimedia Mobile Broadcasting Systems

El uso combinado de diversidad en el dominio temporal, frecuencial y espacial constituye una valiosa herramienta para mejorar la recepción de servicios de difusión móviles. Gracias a la mejora conseguida por las técnicas de diversidad es posible extender la cobertura de los servicios móviles además de reducir la infraestructura de red. La presente tesis investiga el uso de técnicas de diversidad para la provisión de servicios móviles en la familia europea de sistemas de difusión terrestres estandarizada por el prpoyecto DVB (Digital Video Broadcasting). Esto incluye la primera y segunda generación de sistemas DVB-T (Terrestrial), DVB-NGH (Handheld), y DVB-T2 (Terrestrial 2nd generation), así como el sistema de siguiente generación DVB-NGH. No obstante, el estudio llevado a cabo en la tesis es genérico y puede aplicarse a futuras evoluciones de estándares como el japonés ISDB-T o el americano ATSC. Las investigaciones realizadas dentro del contexto de DVB-T, DVB-H y DVBT2 tienen como objetivo la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles en redes terrestres. Esta Convergencia puede facilitar la introducción de servicios móviles de TB debido a la reutilización de espectro, contenido e infraestructura. De acuerdo a los resultados, la incorporación de entrelazado temporal en la capa física para diversidad temporal, y de single-input multiple-output (SIMO) para diversidad espacial, son esenciales para el rendimiento de sistemas móviles de difusión. A pesar de que las técnicas upper later FEC (UL-FEC) pueden propocionar diversidad temporal en sistemas de primera generación como DVB-T y DVB-H, requieren la transmisión de paridad adicional y no son útiles para la recepción estática. El análisis en t�ñerminos de link budjget revela que las técnicas de diversidad noson suficientes para facilitar la provision de servicios móviles en redes DVB-T y DVB-T2 planificadas para recepción fija. Sin embargo, el uso de diversidad en redes planificadas para recepción portableGozálvez Serrano, D. (2012). Combined Time, Frecuency and Space Diversity in Multimedia Mobile Broadcasting Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16273Palanci

A simple approximation for the bit-interleaved coded modulation capacity

Abstract-The generalized mutual information (GMI) is an achievable rate for bit-interleaved coded modulation (BICM) and is highly dependent on the binary labeling of the constellation. The BICM-GMI, sometimes called the BICM capacity, can be evaluated numerically. This approach, however, becomes impractical when the number of constellation points and/or the constellation dimensionality grows, or when many different labelings are considered. A simple approximation for the BICM-GMI based on the area theorem of the demapper's extrinsic information transfer (EXIT) function is proposed. Numerical results show the proposed approximation gives good estimates of the BICM-GMI for labelings with close to linear EXIT functions, which includes labelings of common interest, such as the natural binary code, binary reflected Gray code, etc. This approximation is used to optimize the binary labeling of the 32-APSK constellation defined in the DVB-S2 standard. Gains of approximately 0.15 dB are obtained

Amplifier limited information rates in high-speed optical fiber communication systems

Due to the high transmission capacity, optical fiber systems have been widely applied in the modern telecommunication infrastructure to meet the ever-increasing demand of data traffic. Optical amplifiers have been employed to amplify optical signals and to compensate for the transmission losses. They play a key role in relaying the signals in ultra-wideband optical fiber communication systems. However, the amplified spontaneous emission (ASE) noise will be introduced and will pose constraints on the transmission information rates. The mutual information (MI) and the generalized mutual information (GMI) have been applied to evaluate the information rates in communication systems. In this work, we have investigated the impact of ASE noise on the MI and the GMI, and developed corresponding analyses across different modulation formats. Our work aims to explore the limit and requirements on optical amplifiers in next-generation ultra-wideband optical fiber communication systems

MIMO Scattered Pilot Performance and Optimization for ATSC 3.0

(c) 2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this[EN] ATSC 3.0 is the latest digital terrestrial television (DTT) standard, and it allows a higher spectral efficiency and/or a transmission robustness with multiple-input multiple-output (MIMO) technology compared to existing DTT standards. Regarding MIMO channel estimation, two pilot encoding algorithms known as Walsh-Hadamard encoding and Null Pilot encoding are possible in ATSC 3.0. The two MIMO pilot algorithms are standardized so as to have the same pilot positions and the same pilot boosting as single-input single-output, and the optimum pilot configuration has not been fully evaluated for MIMO. This paper focuses on the performance evaluation and optimization of the pilot boosting and the pilot patterns for two MIMO pilot encoding algorithms in ATSC 3.0 using physical layer simulations. This paper provides a great benefit to broadcasters to select the MIMO pilot configuration including pilot boosting, pilot pattern, and pilot encoding algorithm that better suits their service requirements. Several channel interpolation algorithms have been taken into account as a typical receiver implementation in both fixed SFN reception and mobile reception.This work was supported in part by the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain under Grant TEC2014-56483-R, and in part by the European FEDER Fund.Shitomi, T.; Garro, E.; Murayama, K.; Gomez-Barquero, D. (2018). MIMO Scattered Pilot Performance and Optimization for ATSC 3.0. IEEE Transactions on Broadcasting. 64(2):188-200. https://doi.org/10.1109/TBC.2017.2755262S18820064