On Transmission System Design for Wireless Broadcasting

This thesis considers aspects related to the design and standardisation of transmission systems for wireless broadcasting, comprising terrestrial and mobile reception. The purpose is to identify which factors influence the technical decisions and what issues could be better considered in the design process in order to assess different use cases, service scenarios and end-user quality. Further, the necessity of cross-layer optimisation for efficient data transmission is emphasised and means to take this into consideration are suggested. The work is mainly related terrestrial and mobile digital video broadcasting systems but many of the findings can be generalised also to other transmission systems and design processes. The work has led to three main conclusions. First, it is discovered that there are no sufficiently accurate error criteria for measuring the subjective perceived audiovisual quality that could be utilised in transmission system design. Means for designing new error criteria for mobile TV (television) services are suggested and similar work related to other services is recommended. Second, it is suggested that in addition to commercial requirements there should be technical requirements setting the frame work for the design process of a new transmission system. The technical requirements should include the assessed reception conditions, technical quality of service and service functionalities. Reception conditions comprise radio channel models, receiver types and antenna types. Technical quality of service consists of bandwidth, timeliness and reliability. Of these, the thesis focuses on radio channel models and errorcriteria (reliability) as two of the most important design challenges and provides means to optimise transmission parameters based on these. Third, the thesis argues that the most favourable development for wireless broadcasting would be a single system suitable for all scenarios of wireless broadcasting. It is claimed that there are no major technical obstacles to achieve this and that the recently published second generation digital terrestrial television broadcasting system provides a good basis. The challenges and opportunities of a universal wireless broadcasting system are discussed mainly from technical but briefly also from commercial and regulatory aspectSiirretty Doriast

Evaluation of unidirectional background push content download services for the delivery of television programs

Este trabajo de tesis presenta los servicios de descarga de contenido en modo push como un mecanismo eficiente para el envío de contenido de televisión pre-producido sobre redes de difusión. Hoy en día, los operadores de red dedican una cantidad considerable de recursos de red a la entrega en vivo de contenido televisivo, tanto sobre redes de difusión como sobre conexiones unidireccionales. Esta oferta de servicios responde únicamente a requisitos comerciales: disponer de los contenidos televisivos en cualquier momento y lugar. Sin embargo, desde un punto de vista estrictamente académico, el envío en vivo es únicamente un requerimiento para el contenido en vivo, no para contenidos que ya han sido producidos con anterioridad a su emisión. Más aún, la difusión es solo eficiente cuando el contenido es suficientemente popular. Los servicios bajo estudio en esta tesis utilizan capacidad residual en redes de difusión para enviar contenido pre-producido para que se almacene en los equipos de usuario. La propuesta se justifica únicamente por su eficiencia. Por un lado, genera valor de recursos de red que no se aprovecharían de otra manera. Por otro lado, realiza la entrega de contenidos pre-producidos y populares de la manera más eficiente: sobre servicios de descarga de contenidos en difusión. Los resultados incluyen modelos para la popularidad y la duración de contenidos, valiosos para cualquier trabajo de investigación basados en la entrega de contenidos televisivos. Además, la tesis evalúa la capacidad residual disponible en redes de difusión, por medio de estudios empíricos. Después, estos resultados son utilizados en simulaciones que evalúan las prestaciones de los servicios propuestos en escenarios diferentes y para aplicaciones diferentes. La evaluación demuestra que este tipo de servicios son un recurso muy útil para la entrega de contenido televisivo.This thesis dissertation presents background push Content Download Services as an efficient mechanism to deliver pre-produced television content through existing broadcast networks. Nowadays, network operators dedicate a considerable amount of network resources to live streaming live, through both broadcast and unicast connections. This service offering responds solely to commercial requirements: Content must be available anytime and anywhere. However, from a strictly academic point of view, live streaming is only a requirement for live content and not for pre-produced content. Moreover, broadcasting is only efficient when the content is sufficiently popular. The services under study in this thesis use residual capacity in broadcast networks to push popular, pre-produced content to storage capacity in customer premises equipment. The proposal responds only to efficiency requirements. On one hand, it creates value from network resources otherwise unused. On the other hand, it delivers popular pre-produced content in the most efficient way: through broadcast download services. The results include models for the popularity and the duration of television content, valuable for any research work dealing with file-based delivery of television content. Later, the thesis evaluates the residual capacity available in broadcast networks through empirical studies. These results are used in simulations to evaluate the performance of background push content download services in different scenarios and for different applications. The evaluation proves that this kind of services can become a great asset for the delivery of television contentFraile Gil, F. (2013). Evaluation of unidirectional background push content download services for the delivery of television programs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31656TESI

Random Linear Network Coding for 5G Mobile Video Delivery

An exponential increase in mobile video delivery will continue with the demand for higher resolution, multi-view and large-scale multicast video services. Novel fifth generation (5G) 3GPP New Radio (NR) standard will bring a number of new opportunities for optimizing video delivery across both 5G core and radio access networks. One of the promising approaches for video quality adaptation, throughput enhancement and erasure protection is the use of packet-level random linear network coding (RLNC). In this review paper, we discuss the integration of RLNC into the 5G NR standard, building upon the ideas and opportunities identified in 4G LTE. We explicitly identify and discuss in detail novel 5G NR features that provide support for RLNC-based video delivery in 5G, thus pointing out to the promising avenues for future research.Comment: Invited paper for Special Issue "Network and Rateless Coding for Video Streaming" - MDPI Informatio

Improved Spectrum Usage with Multi-RF Channel Aggregation Technologies for the Next-Generation Terrestrial Broadcasting

[EN] Next-generation terrestrial broadcasting targets at enhancing spectral efficiency to overcome the challenges derived from the spectrum shortage as a result of the progressive allocation of frequencies - the so-called Digital Dividend - to satisfy the growing demands for wireless broadband capacity. Advances in both transmission standards and video coding are paramount to enable the progressive roll-out of high video quality services such as HDTV (High Definition Televison) or Ultra HDTV. The transition to the second generation European terrestrial standard DVB-T2 and the introduction of MPEG-4/AVC video coding already enables the transmission of 4-5 HDTV services per RF (Radio Frequency) channel. However, the impossibility to allocate higher bit-rate within the remaining spectrum could jeopardize the evolution of the DTT platforms in favour of other high-capacity systems such as the satellite or cable distribution platforms. Next steps are focused on the deployment of the recently released High Efficiency Video Coding (HEVC) standard, which provides more than 50% coding gain with respect to AVC, with the next-generation terrestrial standards. This could ensure the competitiveness of the DTT. This dissertation addresses the use of multi-RF channel aggregation technologies to increase the spectral efficiency of future DTT networks. The core of the Thesis are two technologies: Time Frequency Slicing (TFS) and Channel Bonding (CB). TFS and CB consist in the transmission of the data of a TV service across multiple RF channels instead of using a single channel. CB spreads data of a service over multiple classical RF channels (RF-Mux). TFS spreads the data by time-slicing (slot-by-slot) across multiple RF channels which are sequentially recovered at the receiver by frequency hopping. Transmissions using these features can benefit from capacity and coverage gains. The first one comes from a more efficient statistical multiplexing (StatMux) for Variable Bit Rate (VBR) services due to a StatMux pool over a higher number of services. Furthermore, CB allows increasing service data rate with the number of bonded RF channels and also advantages when combined with SVC (Scalable Video Coding). The coverage gain comes from the increased RF performance due to the reception of the data of a service from different RF channels rather that a single one that could be, eventually, degraded. Robustness against interferences is also improved since the received signal does not depend on a unique potentially interfered RF channel. TFS was firstly introduced as an informative annex in DVB-T2 (not normative) and adopted in DVB-NGH (Next Generation Handheld). TFS and CB are proposed for inclusion in ATSC 3.0. However, they have never been implemented. The investigations carried out in this dissertation employ an information-theoretical approach to obtain their upper bounds, physical layer simulations to evaluate the performance in real systems and the analysis of field measurements that approach realistic conditions of the network deployments. The analysis report coverage gains about 4-5 dB with 4 RF channels and high capacity gains already with 2 RF channels. This dissertation also focuses on implementation aspects. Channel bonding receivers require one tuner per bonded RF channel. The implementation of TFS with a single tuner demands the fulfilment of several timing requirements. However, the use of just two tuners would still allow for a good performance with a cost-effective implementation by the reuse of existing chipsets or the sharing of existing architectures with dual tuner operation such as MIMO (Multiple Input Multiple Output).[ES] La televisión digital terrestre (TDT) de última generación está orientada a una necesaria mejora de la eficiencia espectral con el fin de abordar los desafíos derivados de la escasez de espectro como resultado de la progresiva asignación de frecuencias - el llamado Dividendo Digital - para satisfacer la creciente demanda de capacidad para la banda ancha inalámbrica. Los avances tanto en los estándares de transmisión como de codificación de vídeo son de suma importancia para la progresiva puesta en marcha de servicios de alta calidad como la televisión de Ultra AD (Alta Definición). La transición al estándar europeo de segunda generación DVB-T2 y la introducción de la codificación de vídeo MPEG-4 / AVC ya permite la transmisión de 4-5 servicios de televisión de AD por canal RF (Radiofrecuencia). Sin embargo, la imposibilidad de asignar una mayor tasa de bit sobre el espectro restante podría poner en peligro la evolución de las plataformas de TDT en favor de otros sistemas de alta capacidad tales como el satélite o las distribuidoras de cable. El siguiente paso se centra en el despliegue del reciente estándar HEVC (High Efficiency Video Coding), que ofrece un 50% de ganancia de codificación con respecto a AVC, junto con los estándares terrestres de próxima generación, lo que podría garantizar la competitividad de la TDT en un futuro cercano. Esta tesis aborda el uso de tecnologías de agregación de canales RF que permitan incrementar la eficiencia espectral de las futuras redes. La tesis se centra en torno a dos tecnologías: Time Frequency Slicing (TFS) y Channel Bonding (CB). TFS y CB consisten en la transmisión de los datos de un servicio de televisión a través de múltiples canales RF en lugar de utilizar un solo canal. CB difunde los datos de un servicio a través de varios canales RF convencionales formando un RF-Mux. TFS difunde los datos a través de ranuras temporales en diferentes canales RF. Los datos son recuperados de forma secuencial en el receptor mediante saltos en frecuencia. La implementación de estas técnicas permite obtener ganancias en capacidad y cobertura. La primera de ellas proviene de una multiplexación estadística (StatMux) de servicios de tasa variable (VBR) más eficiente. Además, CB permite aumentar la tasa de pico de un servicio de forma proporcional al número de canales así como ventajas al combinarla con codificación de vídeo escalable. La ganancia en cobertura proviene de un mejor rendimiento RF debido a la recepción de los datos de un servicio desde diferentes canales en lugar uno sólo que podría estar degradado. Del mismo modo, es posible obtener una mayor robustez frente a interferencias ya que la recepción o no de un servicio no depende de si el canal que lo alberga está o no interferido. TFS fue introducido en primer lugar como un anexo informativo en DVB-T2 (no normativo) y posteriormente fue adoptado en DVB-NGH (Next Generation Handheld). TFS y CB han sido propuestos para su inclusión en ATSC 3.0. Aún así, nunca han sido implementados. Las investigaciones llevadas a cabo en esta Tesis emplean diversos enfoques basados en teoría de la información para obtener los límites de ganancia, en simulaciones de capa física para evaluar el rendimiento en sistemas reales y en el análisis de medidas de campo. Estos estudios reportan ganancias en cobertura en torno a 4-5 dB con 4 canales e importantes ganancias en capacidad aún con sólo 2 canales RF. Esta tesis también se centra en los aspectos de implementación. Los receptores para CB requieren un sintonizador por canal RF agregado. La implementación de TFS con un solo sintonizador exige el cumplimiento de varios requisito temporales. Sin embargo, el uso de dos sintonizadores permitiría un buen rendimiento con una implementación más rentable con la reutilización de los actuales chips o su introducción junto con las arquitecturas existentes que operan con un doble sintonizador tales como[CA] La televisió digital terrestre (TDT) d'última generació està orientada a una necessària millora de l'eficiència espectral a fi d'abordar els desafiaments derivats de l'escassetat d'espectre com a resultat de la progressiva assignació de freqüències - l'anomenat Dividend Digital - per a satisfer la creixent demanda de capacitat per a la banda ampla sense fil. Els avanços tant en els estàndards de transmissió com de codificació de vídeo són de la màxima importància per a la progressiva posada en marxa de serveis d'alta qualitat com la televisió d'Ultra AD (Alta Definició). La transició a l'estàndard europeu de segona generació DVB-T2 i la introducció de la codificació de vídeo MPEG-4/AVC ja permet la transmissió de 4-5 serveis de televisió d'AD per canal RF (Radiofreqüència). No obstant això, la impossibilitat d'assignar una major taxa de bit sobre l'espectre restant podria posar en perill l'evolució de les plataformes de TDT en favor d'altres sistemes d'alta capacitat com ara el satèl·lit o les distribuïdores de cable. El següent pas se centra en el desplegament del recent estàndard HEVC (High Efficiency Vídeo Coding), que oferix un 50% de guany de codificació respecte a AVC, junt amb els estàndards terrestres de pròxima generació, la qual cosa podria garantir la competitivitat de la TDT en un futur pròxim. Aquesta tesi aborda l'ús de tecnologies d'agregació de canals RF que permeten incrementar l'eficiència espectral de les futures xarxes. La tesi se centra entorn de dues tecnologies: Time Frequency Slicing (TFS) i Channel Bonding (CB). TFS i CB consistixen en la transmissió de les dades d'un servei de televisió a través de múltiples canals RF en compte d'utilitzar un sol canal. CB difon les dades d'un servei a través d'uns quants canals RF convencionals formant un RF-Mux. TFS difon les dades a través de ranures temporals en diferents canals RF. Les dades són recuperades de forma seqüencial en el receptor per mitjà de salts en freqüència. La implementació d'aquestes tècniques permet obtindre guanys en capacitat i cobertura. La primera d'elles prové d'una multiplexació estadística (StatMux) de serveis de taxa variable (VBR) més eficient. A més, CB permet augmentar la taxa de pic d'un servei de forma proporcional al nombre de canals així com avantatges al combinar-la amb codificació de vídeo escalable. El guany en cobertura prové d'un millor rendiment RF a causa de la recepció de les dades d'un servei des de diferents canals en lloc de només un que podria estar degradat. De la mateixa manera, és possible obtindre una major robustesa enfront d'interferències ja que la recepció o no d'un servei no depén de si el canal que l'allotja està o no interferit. TFS va ser introduït en primer lloc com un annex informatiu en DVB-T2 (no normatiu) i posteriorment va ser adoptat en DVB-NGH (Next Generation Handheld). TFS i CB han sigut proposades per a la seva inclusió en ATSC 3.0. Encara així, mai han sigut implementades. Les investigacions dutes a terme en esta Tesi empren diverses vessants basades en teoria de la informació per a obtindre els límits de guany, en simulacions de capa física per a avaluar el rendiment en sistemes reals i en l'anàlisi de mesures de camp. Aquestos estudis reporten guanys en cobertura entorn als 4-5 dB amb 4 canals i importants guanys en capacitat encara amb només 2 canals RF. Esta tesi també se centra en els aspectes d'implementació. Els receptors per a CB requerixen un sintonitzador per canal RF agregat. La implementació de TFS amb un sol sintonitzador exigix el compliment de diversos requisit temporals. No obstant això, l'ús de dos sintonitzadors permetria un bon rendiment amb una implementació més rendible amb la reutilització dels actuals xips o la seua introducció junt amb les arquitectures existents que operen amb un doble sintonitzador com ara MIMO (Multiple Input Multiple Output).Giménez Gandia, JJ. (2015). Improved Spectrum Usage with Multi-RF Channel Aggregation Technologies for the Next-Generation Terrestrial Broadcasting [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/52520TESI

Efficient Channel Modeling Methods for Mobile Communication Systems

Siirretty Doriast

SDN/NFV-enabled satellite communications networks: opportunities, scenarios and challenges

In the context of next generation 5G networks, the satellite industry is clearly committed to revisit and revamp the role of satellite communications. As major drivers in the evolution of (terrestrial) fixed and mobile networks, Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualisation (NFV) technologies are also being positioned as central technology enablers towards improved and more flexible integration of satellite and terrestrial segments, providing satellite network further service innovation and business agility by advanced network resources management techniques. Through the analysis of scenarios and use cases, this paper provides a description of the benefits that SDN/NFV technologies can bring into satellite communications towards 5G. Three scenarios are presented and analysed to delineate different potential improvement areas pursued through the introduction of SDN/NFV technologies in the satellite ground segment domain. Within each scenario, a number of use cases are developed to gain further insight into specific capabilities and to identify the technical challenges stemming from them.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

COST EFFICIENT PROVISIONING OF MASS MOBILE MULTIMEDIA SERVICES IN HYBRID CELLULAR AND BROADCASTING SYSTEMS

Uno de los retos a los que se enfrenta la industria de las comunicaciones móviles e inalámbricas es proporcionar servicios multimedia masivos a bajo coste, haciéndolos asequibles para los usuarios y rentables a los operadores. El servicio más representativo es el de TV móvil, el cual se espera que sea una aplicación clave en las futuras redes móviles. Actualmente las redes celulares no pueden soportar un consumo a gran escala de este tipo de servicios, y las nuevas redes de radiodifusión móvil son muy costosas de desplegar debido a la gran inversión en infraestructura de red necesaria para proporcionar niveles aceptables de cobertura. Esta tesis doctoral aborda el problema de la provisión eficiente de servicios multimedia masivos a dispositivos móviles y portables utilizando la infraestructura de radiodifusión y celular existente. La tesis contempla las tecnologías comerciales de última generación para la radiodifusión móvil (DVB-H) y para las redes celulares (redes 3G+ con HSDPA y MBMS), aunque se centra principalmente en DVB-H. El principal paradigma propuesto para proporcionar servicios multimedia masivos a bajo coste es evitar el despliegue de una red DVB-H con alta capacidad y cobertura desde el inicio. En su lugar se propone realizar un despliegue progresivo de la infraestructura DVB-H siguiendo la demanda de los usuarios. Bajo este contexto, la red celular es fundamental para evitar sobre-dimensionar la red DVB-H en capacidad y también en áreas con una baja densidad de usuarios hasta que el despliegue de un transmisor o un repetidor DVB-H sea necesario. Como principal solución tecnológica la tesis propone realizar una codificación multi-burst en DVB-H utilizando códigos Raptor. El objetivo es explotar la diversidad temporal del canal móvil para aumentar la robustez de la señal y, por tanto, el nivel de cobertura, a costa de incrementar la latencia de la red.Gómez Barquero, D. (2009). COST EFFICIENT PROVISIONING OF MASS MOBILE MULTIMEDIA SERVICES IN HYBRID CELLULAR AND BROADCASTING SYSTEMS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/6881Palanci

Laboratory and field trials evaluation of transmit delay Diversity applied to DVB-T/H networks

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.The requirements for future DVB-T/H networks demand that broadcasters design and deploy networks that provide ubiquitous reception in challenging indoors and other obstructed situations. It is essential that such networks are designed cost-effectively and with minimized environmental impact. The use of transmit diversity techniques with multiple antennas have long been proposed to improve the performance and capacity of wireless systems. Transmit diversity exploits the scattering effect inherent in the channel by means of transmitting multiple signals in a controlled manner from spatially separated antennas, allowing independently faded signals to arrive at the receiver and improves the chances of decoding a signal of acceptable quality. Transmit diversity can complement receive diversity by adding an additional diversity gain and in situations where receiver diversity is not practical, transmit diversity alone delivers a comparable amount of diversity gain. Transmit Delay Diversity (DD) can be applied to systems employing the DVB standard without receiver equipment modifications. Although transmit DD can provide a gain in NLOS situations, it can introduce degradation in LOS situation. The aim of this thesis is to investigate the effectiveness in real-word applications of novel diversity techniques for broadcast transmitter networks. Tests involved laboratory experiments using a wireless MIMO channel emulator and the deployment of a field measurement campaign dedicated to driving, indoor and rooftop reception. The relationship between the diversity gain, the propagation environment and several parameters such as the transmit antenna separation, the receiver speed and the Forward Error Correction Codes (FEC) configuration are investigated. Results includes the effect of real-word parameter usually not modeled in the software simulation analysis, such as antenna radiation patterns and mutual coupling, scattering vegetation impact, non-Gaussian noise sources and receiver implementation. Moreover, a practical analysis of the effectiveness of experimental techniques to mitigate the loss due to transmit DD loss in rooftop reception is presented. The results of this thesis confirmed, completed and extended the existing predictions with real word measurement results