MIMO for DVB-NGH, the next generation mobile TV broadcasting

DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld) is the next generation technology for mobile TV broadcasting, which has been developed by the DVB project with the most advanced transmission technologies. DVB-NGH is the first broadcasting standard to incorporate multiple-input multiple-output (MIMO) as the key technology to overcome the Shannon limit of single antenna communications. MIMO techniques can be used to improve the robustness of the transmitted signal by exploiting the spatial diversity of the MIMO channel, but also to achieve increased data rates through spatial multiplexing. This article describes the benefits of MIMO that motivated its incorporation in DVB-NGH, reviews the MIMO schemes adopted, and discusses some aspects related to the deployment of MIMO networks in DVB-NGH. The article also provides a feature comparison with the multi-antenna techniques for 3GGP's LTE/LTE-Advanced for cellular networks. Finally, physical layer simulation results calibrated within the DVB-NGH standardization process are provided to illustrate the gain of MIMO for the next generation of mobile TV broadcasting.Vargas Paredero, DE.; Gozálvez Serrano, D.; Gómez Barquero, D.; Cardona Marcet, N. (2013). MIMO for DVB-NGH, the next generation mobile TV broadcasting. IEEE Communications Magazine. 51(7):130-137. doi:10.1109/MCOM.2013.6553689S13013751

Preamble design using embedded signalling for OFDM broadcast systems based on reduced-complexity distance detection

The second generation digital terrestrial television broadcasting standard (DVB-T2) adopts the so-called P1 symbol as the preamble for initial synchronization. The P1 symbol also carries a number of basic transmission parameters, including the fast Fourier transform size and the single-input/single-output as well as multiple-input/single-output mode, in order to appropriately configure the receiver for carrying out the subsequent processing. In this contribution, an improved preamble design is proposed, where a pair of training sequences is inserted in the frequency domain and their distance is used for transmission parameter signalling. At the receiver, only a low-complexity correlator is required for the detection of the signalling. Both the coarse carrier frequency offset and the signalling can be simultaneously estimated by detecting the above-mentioned correlation. Compared to the standardised P1 symbol, the proposed preamble design significantly reduces the complexity of the receiver while retaining high robustness in frequency-selective fading channels. Furthermore, we demonstrate that the proposed preamble design achieves a better signalling performance than the standardised P1 symbol, despite reducing the numbers of multiplications and additions by about 40% and 20%, respectively

Dispensing with Channel Estimation…

In this article, we investigate the feasibility of noncoherent detection schemes in wireless communication systems as a low-complexity alternative to the family of coherent schemes. The noncoherent schemes require no channel knowledge at the receiver for the detection of the received signal, while the coherent schemes require channel inherently complex estimation, which implies that pilot symbols have to be transmitted resulting in a wastage of the available bandwidth as well as the transmission power

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

MIMO for ATSC 3.0

"(c) 2016 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted components of this work in other works.")This paper provides an overview of the optional MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) antenna scheme adopted in ATSC 3.0 to improve robustness or increase capacity via additional spatial diversity and multiplexing by sending two data streams in a single radio frequency channel. Although it is not directly specified, it is expected in practice to use cross-polarized 2x2 MIMO (i.e., horizontal and vertical polarization) to retain multiplexing capabilities in line-of-sight conditions. MIMO allows overcoming the channel capacity limit of single antenna wireless communications in a given channel bandwidth without any increase in the total transmission power. But in the U.S. MIMO can actually provide a larger comparative gain because it would be allowed to increase the total transmit power, by transmitting the nominal transmit power in each polarization. Hence, in addition to the MIMO gains (array, diversity and spatial multiplexing), MIMO could exploit an additional 3 dB power gain. The MIMO scheme adopted in ATSC 3.0 re-uses the SISO (Single-Input Single-Output) antenna baseline constellations, and hence it introduces the use of MIMO with non-uniform constellations.Gómez Barquero, D.; Vargas, D.; Fuentes Muela, M.; Klenner, P.; Moon, S.; Choi, J.; Schneider, D.... (2016). MIMO for ATSC 3.0. IEEE Transactions on Broadcasting. 62(1):298-305. doi:10.1109/TBC.2015.2505399S29830562

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

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

DVB-NGH: the Next Generation of Digital Broadcast Services to Handheld Devices

This paper reviews the main technical solutions adopted by the next-generation mobile broadcasting standard DVB-NGH, the handheld evolution of the second-generation digital terrestrial TV standard DVB-T2. The main new technical elements introduced with respect to DVB-T2 are: layered video coding with multiple physical layer pipes, time-frequency slicing, full support of an IP transport layer with a dedicated protocol stack, header compression mechanisms for both IP and MPEG-2 TS packets, new low-density parity check coding rates for the data path (down to 1/5), nonuniform constellations for 64 Quadrature Amplitude Modulation (QAM) and 256QAM, 4-D rotated constellations for Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), improved time interleaving in terms of zapping time, end-to-end latency and memory consumption, improved physical layer signaling in terms of robustness, capacity and overhead, a novel distributed multiple input single output transmit diversity scheme for single-frequency networks (SFNs), and efficient provisioning of local content in SFNs. All these technological solutions, together with the high performance of DVB-T2, make DVB-NGH a real next-generation mobile multimedia broadcasting technology. In fact, DVB-NGH can be regarded the first third-generation broadcasting system because it allows for the possibility of using multiple input multiple output antenna schemes to overcome the Shannon limit of single antenna wireless communications. Furthermore, DVB-NGH also allows the deployment of an optional satellite component forming a hybrid terrestrial-satellite network topology to improve the coverage in rural areas where the installation of terrestrial networks could be uneconomical.Gómez Barquero, D.; Douillard, C.; Moss, P.; Mignone, V. (2014). DVB-NGH: the Next Generation of Digital Broadcast Services to Handheld Devices. IEEE Transactions on Broadcasting. 60(2):246-257. doi:10.1109/TBC.2014.2313073S24625760

Advanced Layered Divsion Multiplexing Technologies for Next-Gen Broadcast

Tesis por compendioDesde comienzos del siglo XXI, los sistemas de radiodifusión terrestre han sido culpados de un uso ineficiente del espectro asignado. Para aumentar la eficiencia espectral, los organismos de estandarización de TV digital comenzaron a desarrollar la evolución técnica de los sistemas de TDT de primera generación. Entre otros, uno de los objetivos principales de los sistemas de TDT de próxima generación (DVB-T2 y ATSC 3.0) es proporcionar simultáneamente servicios de TV a dispositivos móviles y fijos. El principal inconveniente de esta entrega simultánea son los diferentes requisitos de cada condición de recepción. Para abordar estas limitaciones, se han considerado diferentes técnicas de multiplexación. Mientras que DVB-T2 acomete la entrega simultánea de los dos servicios mediante TDM, ATSC 3.0 adoptó la Multiplexación por División en Capas (LDM). LDM puede superar a TDM y a FDM al aprovechar la relación de Protección de Error Desigual (UEP), ya que ambos servicios, llamados capas, utilizan todos los recursos de frecuencia y tiempo con diferentes niveles de potencia. En el lado del receptor, se distinguen dos implementaciones, de acuerdo con la capa a decodificar. Los receptores móviles solo están destinados a obtener la capa superior, conocida como Core Layer (CL). Para no aumentar su complejidad en comparación con los receptores de capa única, la capa inferior, conocida como Enhanced Layer (EL), es tratada como un ruido adicional en la decodificación. Los receptores fijos aumentan su complejidad, ya que deben realizar un proceso de Cancelación de Interferencia (SIC) sobre la CL para obtener la EL. Para limitar la complejidad adicional de los receptores fijos, las capas de LDM en ATSC 3.0 están configuradas con diferentes capacidades de corrección, pero comparten el resto de bloques de la capa física, incluido el TIL, el PP, el tamaño de FFT, y el GI. Esta disertación investiga tecnologías avanzadas para optimizar el rendimiento de LDM. Primero se propone una optimización del proceso de demapeo para las dos capas de LDM. El algoritmo propuesto logra un aumento de capacidad, al tener en cuenta la forma de la EL en el proceso de demapeo de la CL. Sin embargo, el número de distancias Euclidianas a computar puede aumentar significativamente, conduciendo no solo a receptores fijos más complejos, sino también a receptores móviles más complejos. A continuación, se determina la configuración de piloto ATSC 3.0 más adecuada para LDM. Teniendo en cuenta que las dos capas comparten el mismo PP, surge una contrapartida entre la densidad de pilotos (CL) y la redundancia sobre los datos (EL). A partir de los resultados de rendimiento, se recomienda el uso de un PP no muy denso, ya que ya han sido diseñados para hacer frente a ecos largos y altas velocidades. La amplitud piloto óptima depende del estimador de canal en los receptores (ej., se recomienda la amplitud mínima para una implementación Wiener, mientras que la máxima para una implementación FFT). También se investiga la potencial transmisión conjunta de LDM con tres tecnologías avanzadas adoptadas en ATSC 3.0: las tecnologías de agregación MultiRF, los esquemas de MISO distribuido y los de MIMO colocalizado. Se estudian los potenciales casos de uso, los aspectos de implementación del transmisor y el receptor, y las ganancias de rendimiento de las configuraciones conjuntas para las dos capas de LDM. Las restricciones adicionales de combinar LDM con las tecnologías avanzadas se consideran admisibles, ya que las mayores demandas ya están contempladas en ATSC 3.0 (ej., una segunda cadena de recepción). Se obtienen ganancias significativas en condiciones de recepción peatonal gracias a la diversidad en frecuencia proporcionada por las tecnologías MultiRF. La conjunción de LDM con esquemas de MISO proporciona ganancias de rendimiento significativas en redes SFN para la capa fija con el esquema de Alamouti.Since the beginning of the 21st century, terrestrial broadcasting systems have been blamed of an inefficient use of the allocated spectrum. To increase the spectral efficiency, digital television Standards Developing Organizations settled to develop the technical evolution of the first-generation DTT systems. Among others, a primary goal of next-generation DTT systems (DVB-T2 and ATSC 3.0) is to simultaneously provide TV services to mobile and fixed devices. The major drawback of this simultaneous delivery is the different requirement of each reception condition. To address these constraints different multiplexing techniques have been considered. While DVB-T2 fulfilled the simultaneous delivery of the two services by TDM, ATSC 3.0 adopted the LDM technology. LDM can outperform TDM and FDM by taking advantage of the UEP ratio, as both services, namely layers, utilize all the frequency and time resources with different power levels. At receiver side, two implementations are distinguished, according to the intended layer. Mobile receivers are only intended to obtain the upper layer, known as CL. In order not to increase their complexity compared to single layer receivers, the lower layer, known as EL is treated as an additional noise on the CL decoding. Fixed receivers, increase their complexity, as they should performed a SIC process on the CL for getting the EL. To limit the additional complexity of fixed receivers, the LDM layers in ATSC 3.0 are configured with different error correction capabilities, but share the rest of physical layer parameters, including the TIL, the PP, the FFT size, and the GI. This dissertation investigates advanced technologies to optimize the LDM performance. A demapping optimization for the two LDM layers is first proposed. A capacity increase is achieved by the proposed algorithm, which takes into account the underlying layer shape in the demapping process. Nevertheless, the number of Euclidean distances to be computed can be significantly increased, contributing to not only more complex fixed receivers, but also more complex mobile receivers. Next, the most suitable ATSC 3.0 pilot configuration for LDM is determined. Considering the two layers share the same PP a trade-off between pilot density (CL) and data overhead (EL) arises. From the performance results, it is recommended the use of a not very dense PP, as they have been already designed to cope with long echoes and high speeds. The optimum pilot amplitude depends on the channel estimator at receivers (e.g. the minimum amplitude is recommended for a Wiener implementation, while the maximum for a FFT implementation). The potential combination of LDM with three advanced technologies that have been adopted in ATSC 3.0 is also investigated: MultiRF technologies, distributed MISO schemes, and co-located MIMO schemes. The potential use cases, the transmitter and receiver implementations, and the performance gains of the joint configurations are studied for the two LDM layers. The additional constraints of combining LDM with the advanced technologies is considered admissible, as the greatest demands (e.g. a second receiving chain) are already contemplated in ATSC 3.0. Significant gains are found for the mobile layer at pedestrian reception conditions thanks to the frequency diversity provided by MultiRF technologies. The conjunction of LDM with distributed MISO schemes provides significant performance gains on SFNs for the fixed layer with Alamouti scheme. Last, considering the complexity in the mobile receivers and the CL performance, the recommended joint configuration is MISO in the CL and MIMO in the EL.Des de començaments del segle XXI, els sistemes de radiodifusió terrestre han sigut culpats d'un ús ineficient de l'espectre assignat. Per a augmentar l'eficiència espectral, els organismes d'estandardització de TV digital van començar a desenvolupar l'evolució tècnica dels sistemes de TDT de primera generació. Entre altres, un dels objectius principals dels sistemes de TDT de pròxima generació (DVB-T2 i el ATSC 3.0) és proporcionar simultàniament serveis de TV a dispositius mòbils i fixos. El principal inconvenient d'aquest lliurament simultani són els diferents requisits de cada condició de recepció. Per a abordar aquestes limitacions, s'han considerat diferents tècniques de multiplexació. Mentre que DVB-T2 escomet el lliurament simultani dels dos serveis mitjançant TDM, ATSC 3.0 va adoptar la Multiplexació per Divisió en Capes (LDM). LDM pot superar a TDM i a FDM en aprofitar la relació de Protecció d'Error Desigual (UEP), ja que tots dos serveis, cridats capes, utilitzen tots els recursos de freqüència i temps amb diferents nivells de potència. En el costat del receptor, es distingeixen dues implementacions, d'acord amb la capa a decodificar. Els receptors mòbils solament estan destinats a obtenir la capa superior, coneguda com Core Layer (CL). Per a no augmentar la seua complexitat en comparació amb els receptors de capa única, la capa inferior, coneguda com Enhanced Layer (EL), és tractada com un soroll addicional en la decodificació. Els receptors fixos augmenten la seua complexitat, ja que han de realitzar un procés de Cancel·lació d'Interferència (SIC) sobre la CL per a obtenir l'EL. Per a limitar la complexitat addicional dels receptors fixos, les capes de LDM en ATSC 3.0 estan configurades amb diferents capacitats de correcció, però comparteixen la resta de blocs de la capa física, inclòs el TIL, el PP, la grandària de FFT i el GI. Aquesta dissertació investiga tecnologies avançades per a optimitzar el rendiment de LDM. Primer es proposa una optimització del procés de demapeo per a les dues capes de LDM. L'algoritme proposat aconsegueix un augment de capacitat, en tenir en compte la forma de l'EL en el procés de demapeo de la CL. No obstant açò, el nombre de distàncies Euclidianes a computar pot augmentar significativament, conduint NO sols a receptors fixos més complexos, sinó també a receptors mòbils més complexos. A continuació, es determina la configuració de pilot ATSC 3.0 més adequada per a LDM. Tenint en compte que les dues capes comparteixen el mateix PP, es produeix una contrapartida entre la densitat de pilots (CL) i la redundància sobre les dades (EL). A partir dels resultats de rendiment, es recomana l'ús d'un PP no gaire dens, ja que ja han sigut dissenyats per a fer front a ecos llargs i altes velocitats. L'amplitud pilot òptima depèn de l'estimador de canal en els receptors (ex., es recomana l'amplitud mínima per a una implementació Wiener, mentre que la màxima per a una implementació FFT). També s'investiga la potencial transmissió conjunta de LDM amb tres tecnologies avançades adoptades en ATSC 3.0: les tecnologies d'agregació de MultiRF, els esquemes de MISO distribuït i els de MIMO colocalitzat. S'estudien els potencials casos d'ús, els principals aspectes d'implementació del transmissor i el receptor, i els guanys de rendiment de les configuracions conjuntes per a les dues capes de LDM. Les restriccions addicionals de combinar LDM amb les tecnologies avançades es consideren admissibles, ja que les majors demandes ja estan contemplades en ATSC 3.0 (ex., una segona cadena de recepció). S'obtenen guanys significatius per a la capa mòbil en condicions de recepció per als vianants gràcies a la diversitat en freqüència proporcionada per les tecnologies MultiRF. La conjunció de LDM amb esquemes MISO distribuïts proporciona guanys de rendiment significatius en xarxes SFN per a la capa fixa amb l'esquema d'Alamouti.Garro Crevillén, E. (2018). Advanced Layered Divsion Multiplexing Technologies for Next-Gen Broadcast [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/105559TESISCompendi

A MIMO-Channel-Precoding Scheme for Next Generation Terrestrial Broadcast TV Systems

To cope with increasing demands for spectral efficiency, multiple-input multiple-output (MIMO) technology is being considered for next generation terrestrial broadcasting television systems. In this paper, we propose a MIMO channel-precoder that utilizes channel statistical structure and is suitable for terrestrial broadcasting systems, while being potentially transparent to the receivers. The performance of the channel-precoder is evaluated in a wide set of channel scenarios and mismatched channel conditions, a typical situation in the broadcast setup. Capacity results show performance improvements in the case of strong line-of-sight scenarios with correlated antenna components and resilience against mismatched condition. Finally, we present bit-error-rate simulation results for state-of-the-art digital terrestrial broadcast systems based on digital video broadcasting next generation handheld to compare the performance of single-input single-output, 2 × 2 and 4× 2 MIMO systems and proposed MIMO channel-precoder.The work of D. Vargas was supported by the Erasmus Mundus Programme of the European Commission under the Transatlantic Partnership for Excellence in Engineering-TEE Project.Vargas, D.; Kim, Y.; Bajcsy, J.; Gómez Barquero, D.; Cardona Marcet, N. (2015). A MIMO-Channel-Precoding Scheme for Next Generation Terrestrial Broadcast TV Systems. IEEE Transactions on Broadcasting. 61(3):445-456. doi:10.1109/TBC.2015.2450431S44545661