Analysis and Simulation of the Signals Transmission in the DVB-H/SH Standards

Tato disertační práce se zabývá analýzou, simulací a měřením zpracování a přenosu signálů digitální televize pro příjem mobilního TV vysílání ve standardech DVB-H a DVB-SH. Tyto standardy vycházejí z předpokladu, že příjem signálu je charakterizován modely přenosových kanálů s vícecestným šířením. Tyto, tzv. únikové kanály, jsou charakterizovány hlavně zpožděním a ziskem jednotlivých cest. V závislosti na dalších parametrech (rychlost přijímače, Dopplerovské spektrum), je možné rozdělit únikové kanály do třech hlavních skupin: mobilní, přenosné a fixní. Dá se předpokládat, že v různých modelech kanálů bude přenášený signál různě ovlivněn. Proto je potřebné najít optimální parametry systémů (DVB-H/SH) pro kvalitní příjem vysílaných služeb mobilní televize, což je hlavním cílem této disertační práci. Pro tento účel byly vytvořeny dvě vhodné aplikace (jedna pro DVB-H a jedna pro DVB-SH) s GUI v prostředí MATLAB, které umožňují simulovat a analyzovat míru zkreslení signálu v případě mobilních, přenosných a fixních scénářů přenosu. Navíc, tyto aplikace obsahují i druhý samostatný simulátor pro nastavení a modifikaci parametrů jednotlivých přenosových cest. Díky tomu je možné zhodnotit vliv parametrů celého systému a kanálových modelů na dosaženou chybovost (BER a MER) a kvalitu přenosu. Ve všech přenosových scénářích (v závislosti na poměru C/N) byly získané, vyhodnocené a diskutované zkreslení signálů. Navíc, u standardu DVB-H, všechny získané výsledky ze simulací byly ověřeny měřením. Rozdíly mezi dosaženými výsledky (simulace a měření) byly rovněž podrobeny diskuzi. Tuto disertační práci je možné rozdělit do čtyř hlavních částí. První část disertační práce se zabývá rešerší současného vývoje v oblasti digitálního televizního vysílání na mobilní terminály ve standardech DVB-H/SH. Na konci této části jsou jasně popsány cíle této disertační práce. Druhá část práce je zaměřená na stručný popis blokového diagramu vysílačů v obou standardech DVB-H/SH. Dále jsou stručně popsány modely přenosových kanálů, které se používají pro modelování přenosu signálu. Stručný popis vytvořených aplikací, i s vývojovým diagramem, které jsou vhodné pro simulaci a analýzu přenosu v DVB-H/SH, jsou popsány v třetí části práce. Čtvrtá a nejdelší část této disertační práce se zabývá vyhodnocením získaných výsledků ze simulací a měření.This dissertation thesis deals with the analysis, simulation and measurement of the signal processing and transmission in DVB-H and DVB-SH standards. These standards are based on the assumption that signal reception is characterized by the transmission channels with echoes. These, so called fading channels, are mainly characterized by the path delays and path losses. Depending on the other, additional features (speed of the receiver, Doppler spectrum, etc.), it can be possible divided these channels onto three main groups: mobile, portable and fixed. Of course, signal transmission in different transmission channel models are affected differently. Therefore, it is needed found the optimal system parameters in both, DVB-H and DVB-SH standards, for the quality reception of the broadcasted mobile TV services, which is the main goal of this thesis. For this purpose, two appropriate applications (one for DVB-H and one for DVB-SH) with GUI were created in MATLAB, which enable simulated and analyzed the signal distortions in mobile, portable and fixed transmission scenarios. Moreover, these applications also contain a second application with GUI for the easy set and modification of the parameters of the used channel models. Therefore, it is possible to evaluate the effect of parameters of whole system and channel models on the achieved error rate (BER and MER) and quality of the transmission. In all mentioned transmission scenarios, the signal distortions (depending on the Carrier-to-Noise ratio) were obtained, evaluated and discussed in this dissertation thesis. Furthermore, in case of DVB-H, all obtained results from the simulations, were verified by the measuring. Differences between the obtained results (simulation and measuring) are also discussed. This dissertation thesis can be divided into four main parts. The first part of this dissertation thesis, after the short introduction, deals with present state-of-the-art and literature survey in mobile broadcast DVB-H/SH standards. At the end of this part are clearly outlined the main aims of this dissertation thesis. Second part is focused on the brief description of the functional block diagram of transmitters in both, DVB-H/SH standards. Furthermore, there are briefly described the transmission fading channel models, which are commonly used for the modeling of the signal transmission. The brief description of program applications with flowcharts, appropriate for the simulation of the transmission in the DVB-H/SH standards, are presented and described in the third part of this thesis. Finally, the fourth and longest part of this thesis is focused on the evaluation and comparison of obtained results from the simulations and measurements.

Application of network coding in satellite broadcast and multiple access channels

Satellite broadcasting and relaying capabilities enable mobile broadcast systems over wide geographical areas, which opens large market possibilities for handheld, vehicular and fixed user terminals. The geostationary (GEO) satellite orbit is highly suited for such applications, as it spares the need for satellite terminals to track the movement of the spacecraft, with important savings in terms of complexity and cost. The large radius of the GEO orbit (more than 40000 km) has two main drawbacks. One is the large free space loss experienced by a signal traveling to or from the satellite, which limits the signal-to-noise ratio (SNR) margins in the link budget with respect to terrestrial systems. The second drawback of the GEO orbit is the large propagation delay (about 250 msec) that limits the use of feedback in both the forward (satellite to satellite terminal) and the reverse (satellite terminal to satellite) link. The limited margin protection causes loss of service availability in environments where there is no direct line of sight to the satellite, such as urban areas. The large propagation delay on its turn, together with the large terminal population size usually served by a GEO satellite, limit the use of feedback, which is at the basis of error-control. In the reverse link, especially in the case of fixed terminals, packet losses are mainly due to collisions, that severely limit the access to satellite services in case a random access scheme is adopted. The need for improvements and further understanding of these setups lead to the development of our work. In this dissertation we study the application of network coding to counteract the above mentioned channel impairments in satellite systems. The idea of using network coding stems from the fact that it allows to efficiently exploit the diversity, either temporal or spatial, present in the system. In the following we outline the original contributions included in each of the chapters of the dissertation. Chapter 3. This chapter deals with channel impairments in the forward link, and specifically with the problem of missing coverage in Urban environments for land mobile satellite (LMS) networks. By applying the Max-flow Min-cut theorem we derive a lower bound on the maximum coverage that can be achieved through cooperation. Inspired by this result, we propose a practical scheme, keeping in mind the compatibility with the DVB-SH standard. We developed a simulator in Matlab/C++ based on the physical layer abstraction and used it to test the performance gain of our scheme with a benchmark relaying scheme that does allow coding at packet level. Chapter 4. The second chapter of contributions is devoted to the information theoretical study of real-time streaming transmissions over fading channels with channel state information at the transmitter only. We introduce this new channel model and propose several transmission schemes, one of which is proved to be asymptotically optimal in terms of throughput. We also provide an upper bound on the achievable throughput for the proposed channel model and compare it numerically with the proposed schemes over a Rayleigh fading channel. Chapter 5. Chapter 5 is devoted to the study of throughput and delay in non-real-time streaming transmission over block fading channels. We derive bounds on the throughput and the delay for this channel and propose different coding techniques based on time-sharing. For each of them we carry out an analytical study of the performance. Finally, we compare numerically the performance of the proposed schemes over a Rayleigh fading channel. Chapter 6. In the last technical chapter we propose a collision resolution method for the return link based on physical layer network coding over extended Galois field (EGF). The proposed scheme extracts information from the colliding signals and achieves important gains with respect to Slotted ALOHA systems as well as with respect to other collision resolution schemes.Una de les característiques mes importants de les plataformes de comunicacions per satèl.lit és la seva capacitat de retransmetre senyals rebuts a un gran número de terminals. Això es fonamental en contextes com la difusió a terminals mòbils o la comunicació entre màquines. Al mateix temps, la disponibilitat d’un canal de retorn permet la creació de sistemes de comunicacions per satèl.lit interactius que, en principi, poden arribar a qualsevol punt del planeta. Els satèl.lits Geoestacionaris son particularment adequats per a complir amb aquesta tasca. Aquest tipus de satèl.lits manté una posició fixa respecte a la Terra, estalviant als terminals terrestres la necessitat de seguir el seu moviment en el cel. Per altra banda, la gran distància que separa la Terra dels satèl.lits Geoestacionaris introdueix grans retrassos en les comunicacions que, afegit al gran número de terminals en servei, limita l’ús de tècniques de retransmissió basades en acknowledgments en cas de pèrdua de paquets. Per tal de sol.lucionar el problema de la pèrdua de paquets, les tècniques més utilitzades son el desplegament de repetidors terrestres, anomenats gap fillers, l’ús de codis de protecció a nivell de paquet i mecanismes proactius de resolució de col.lisions en el canal de retorn. En aquesta tesi s’analitzen i s’estudien sol.lucions a problemes en la comunicació per satèl.lit tant en el canal de baixada com el de pujada. En concret, es consideren tres escenaris diferents. El primer escenari es la transmissió a grans poblacions de terminals mòbils en enorns urbans, que es veuen particularment afectats per la pèrdua de paquets degut a l’obstrucció, per part dels edificis, de la línia de visió amb el satèl.lit. La sol.lució que considerem consisteix en la utilització de la cooperació entre terminals. Una vegada obtinguda una mesura del guany que es pot assolir mitjançant cooperació en un model bàsic de xarxa, a través del teorema Max-flow Min-cut, proposem un esquema de cooperació compatible amb estàndards de comunicació existents. El segon escenari que considerem es la transmissió de vídeo, un tipus de tràfic particularment sensible a la pèrdua de paquets i retards endògens als sistemes de comunicació per satèl.lit. Considerem els casos de transmissió en temps real i en diferit, des de la perspectiva de teoria de la informació, i estudiem diferents tècniques de codificació analítica i numèrica. Un dels resultats principals obtinguts es l’extensió del límit assolible de la capacitat ergòdica del canal en cas que el transmissor rebi les dades de manera gradual, enlloc de rebre-les totes a l’inici de la transmissió. El tercer escenari que considerem es l’accés aleatori al satèl.lit. Desenvolupem un esquema de recuperació dels paquets perduts basat en la codificació de xarxa a nivell físic i en extensions a camps de Galois, amb resultats molt prometedors en termes de rendiment. També estudiem aspectes relacionats amb la implementació pràctica d’aquest esquema

Quality-Oriented Mobility Management for Multimedia Content Delivery to Mobile Users

The heterogeneous wireless networking environment determined by the latest developments in wireless access technologies promises a high level of communication resources for mobile computational devices. Although the communication resources provided, especially referring to bandwidth, enable multimedia streaming to mobile users, maintaining a high user perceived quality is still a challenging task. The main factors which affect quality in multimedia streaming over wireless networks are mainly the error-prone nature of the wireless channels and the user mobility. These factors determine a high level of dynamics of wireless communication resources, namely variations in throughput and packet loss as well as network availability and delays in delivering the data packets. Under these conditions maintaining a high level of quality, as perceived by the user, requires a quality oriented mobility management scheme. Consequently we propose the Smooth Adaptive Soft-Handover Algorithm, a novel quality oriented handover management scheme which unlike other similar solutions, smoothly transfer the data traffic from one network to another using multiple simultaneous connections. To estimate the capacity of each connection the novel Quality of Multimedia Streaming (QMS) metric is proposed. The QMS metric aims at offering maximum flexibility and efficiency allowing the applications to fine tune the behavior of the handover algorithm. The current simulation-based performance evaluation clearly shows the better performance of the proposed Smooth Adaptive Soft-Handover Algorithm as compared with other handover solutions. The evaluation was performed in various scenarios including multiple mobile hosts performing handover simultaneously, wireless networks with variable overlapping areas, and various network congestion levels