A design strategy for phase synchronization in precoding-enabled DVB-S2X user terminals

This paper address the design of a phase tracking block for the DVB-S2X user terminals in a satellite precoding system. The spectral characteristics of the phase noise introduced by the oscillator, the channel, and the thermal noise at the receiver are taken into account. Using the expected phase noise mask, the optimal parameters for a second-order PLL intended to track channel variations from the pilots are calculated. To validate the results a Simulink model was implemented considering the characteristics of the hardware prototype. The performance of the design was evaluated in terms of the accuracy and stability for the frame structure of superframe Format 2, as described in Annex E of DVB-S2X.This work was supported by the Fond National de la Recherche Luxembourg, under the CORE project COHESAT: Cognitive Cohesive Networks of Distributed Units for Active and Passive Space Applications and the Bridges Program DISBuS: Dynamic Beam Forming and In-band Signalling for Next Generation Satellite Systems.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases

[EN] The first generation of Terrestrial Digital Television(DTV) has been in service for over a decade. In 2013, several countries have already completed the transition from Analog to Digital TV Broadcasting, most of which in Europe. In South America, after several studies and trials, Brazil adopted the Japanese standard with some innovations. Japan and Brazil started Digital Terrestrial Television Broadcasting (DTTB) services in December 2003 and December 2007 respectively, using Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial (ISDB-T), also known as ARIB STD-B31. In June 2005 the Committee for the Information Technology Area (CATI) of Brazilian Ministry of Science and Technology and Innovation MCTI approved the incorporation of the IC-Brazil Program, in the National Program for Microelectronics (PNM) . The main goals of IC-Brazil are the formal qualification of IC designers, support to the creation of semiconductors companies focused on projects of ICs within Brazil, and the attraction of semiconductors companies focused on the design and development of ICs in Brazil. The work presented in this thesis originated from the unique momentum created by the combination of the birth of Digital Television in Brazil and the creation of the IC-Brazil Program by the Brazilian government. Without this combination it would not have been possible to make these kind of projects in Brazil. These projects have been a long and costly journey, albeit scientifically and technologically worthy, towards a Brazilian DTV state-of-the-art low complexity Integrated Circuit, with good economy scale perspectives, due to the fact that at the beginning of this project ISDB-T standard was not adopted by several countries like DVB-T. During the development of the ISDB-T receiver proposed in this thesis, it was realized that due to the continental dimensions of Brazil, the DTTB would not be enough to cover the entire country with open DTV signal, specially for the case of remote localizations far from the high urban density regions. Then, Eldorado Research Institute and Idea! Electronic Systems, foresaw that, in a near future, there would be an open distribution system for high definition DTV over satellite, in Brazil. Based on that, it was decided by Eldorado Research Institute, that would be necessary to create a new ASIC for broadcast satellite reception. At that time DVB-S2 standard was the strongest candidate for that, and this assumption still stands nowadays. Therefore, it was decided to apply to a new round of resources funding from the MCTI - that was granted - in order to start the new project. This thesis discusses in details the Architecture and Algorithms proposed for the implementation of a low complexity Intermediate Frequency(IF) ISDB-T Receiver on Application Specific Integrated Circuit (ASIC) CMOS. The Architecture proposed here is highly based on the COordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) Algorithm, that is a simple and efficient algorithm suitable for VLSI implementations. The receiver copes with the impairments inherent to wireless channels transmission and the receiver crystals. The thesis also discusses the Methodology adopted and presents the implementation results. The receiver performance is presented and compared to those obtained by means of simulations. Furthermore, the thesis also presents the Architecture and Algorithms for a DVB-S2 receiver targeting its ASIC implementation. However, unlike the ISDB-T receiver, only preliminary ASIC implementation results are introduced. This was mainly done in order to have an early estimation of die area to prove that the project in ASIC is economically viable, as well as to verify possible bugs in early stage. As in the case of ISDB-T receiver, this receiver is highly based on CORDIC algorithm and it was prototyped in FPGA. The Methodology used for the second receiver is derived from that used for the ISDB-T receiver, with minor additions given the project characteristics.[ES] La primera generación de Televisión Digital Terrestre(DTV) ha estado en servicio por más de una década. En 2013, varios países completaron la transición de transmisión analógica a televisión digital, la mayoría de ellas en Europa. En América del Sur, después de varios estudios y ensayos, Brasil adoptó el estándar japonés con algunas innovaciones. Japón y Brasil comenzaron a prestar el servicio de Difusión de Televisión Digital Terrestre (DTTB) en diciembre de 2003 y diciembre de 2007 respectivamente, utilizando Radiodifusión Digital de Servicios Integrados Terrestres (ISDB-T), también conocida como ARIB STD-B31. En junio de 2005, el Comité del Área de Tecnología de la Información (CATI) del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Brasil - MCTI aprobó la incorporación del Programa CI-Brasil, en el Programa Nacional de Microelectrónica (PNM). Los principales objetivos de la CI-Brasil son la formación de diseñadores de CIs, apoyar la creación de empresas de semiconductores enfocadas en proyectos de circuitos integrados dentro de Brasil, y la atracción de empresas de semiconductores interesadas en el diseño y desarrollo de circuitos integrados. El trabajo presentado en esta tesis se originó en el impulso único creado por la combinación del nacimiento de la televisión digital en Brasil y la creación del Programa de CI-Brasil por el gobierno brasileño. Sin esta combinación no hubiera sido posible realizar este tipo de proyectos en Brasil. Estos proyectos han sido un trayecto largo y costoso, aunque meritorio desde el punto de vista científico y tecnológico, hacia un Circuito Integrado brasileño de punta y de baja complejidad para DTV, con buenas perspectivas de economía de escala debido al hecho que al inicio de este proyecto, el estándar ISDB-T no fue adoptado por varios países como DVB-T. Durante el desarrollo del receptor ISDB-T propuesto en esta tesis, se observó que debido a las dimensiones continentales de Brasil, la DTTB no sería suficiente para cubrir todo el país con la señal de televisión digital abierta, especialmente para el caso de localizaciones remotas, apartadas de las regiones de alta densidad urbana. En ese momento, el Instituto de Investigación Eldorado e Idea! Sistemas Electrónicos, previeron que en un futuro cercano habría un sistema de distribución abierto para DTV de alta definición por satélite en Brasil. Con base en eso, el Instituto de Investigación Eldorado decidió que sería necesario crear un nuevo ASIC para la recepción de radiodifusión por satélite, basada el estándar DVB-S2. En esta tesis se analiza en detalle la Arquitectura y algoritmos propuestos para la implementación de un receptor ISDB-T de baja complejidad y frecuencia intermedia (IF) en un Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC) CMOS. La arquitectura aquí propuesta se basa fuertemente en el algoritmo Computadora Digital para Rotación de Coordenadas (CORDIC), el cual es un algoritmo simple, eficiente y adecuado para implementaciones VLSI. El receptor hace frente a las deficiencias inherentes a las transmisiones por canales inalámbricos y los cristales del receptor. La tesis también analiza la metodología adoptada y presenta los resultados de la implementación. Por otro lado, la tesis también presenta la arquitectura y los algoritmos para un receptor DVB-S2 dirigido a la implementación en ASIC. Sin embargo, a diferencia del receptor ISDB-T, se introducen sólo los resultados preliminares de implementación en ASIC. Esto se hizo principalmente con el fin de tener una estimación temprana del área del die para demostrar que el proyecto en ASIC es económicamente viable, así como para verificar posibles errores en etapa temprana. Como en el caso de receptor ISDB-T, este receptor se basa fuertemente en el algoritmo CORDIC y fue un prototipado en FPGA. La metodología utilizada para el segundo receptor se deriva de la utilizada para el re[CA] La primera generació de Televisió Digital Terrestre (TDT) ha estat en servici durant més d'una dècada. En 2013, diversos països ja van completar la transició de la radiodifusió de televisió analògica a la digital, i la majoria van ser a Europa. A Amèrica del Sud, després de diversos estudis i assajos, Brasil va adoptar l'estàndard japonés amb algunes innovacions. Japó i Brasil van començar els servicis de Radiodifusió de Televisió Terrestre Digital (DTTB) al desembre de 2003 i al desembre de 2007, respectivament, utilitzant la Radiodifusió Digital amb Servicis Integrats de (ISDB-T), coneguda com a ARIB STD-B31. Al juny de 2005, el Comité de l'Àrea de Tecnologia de la Informació (CATI) del Ministeri de Ciència i Tecnologia i Innovació del Brasil (MCTI) va aprovar la incorporació del programa CI Brasil al Programa Nacional de Microelectrònica (PNM). Els principals objectius de CI Brasil són la qualificació formal dels dissenyadors de circuits integrats, el suport a la creació d'empreses de semiconductors centrades en projectes de circuits integrats dins del Brasil i l'atracció d'empreses de semiconductors centrades en el disseny i desenvolupament de circuits integrats. El treball presentat en esta tesi es va originar en l'impuls únic creat per la combinació del naixement de la televisió digital al Brasil i la creació del programa Brasil CI pel govern brasiler. Sense esta combinació no hauria estat possible realitzar este tipus de projectes a Brasil. Estos projectes han suposat un viatge llarg i costós, tot i que digne científicament i tecnològica, cap a un circuit integrat punter de baixa complexitat per a la TDT brasilera, amb bones perspectives d'economia d'escala perquè a l'inici d'este projecte l'estàndard ISDB-T no va ser adoptat per diversos països, com el DVB-T. Durant el desenvolupament del receptor de ISDB-T proposat en esta tesi, va resultar que, a causa de les dimensions continentals de Brasil, la DTTB no seria suficient per cobrir tot el país amb el senyal de TDT oberta, especialment pel que fa a les localitzacions remotes allunyades de les regions d'alta densitat urbana.. En este moment, l'Institut de Recerca Eldorado i Idea! Sistemes Electrònics van preveure que, en un futur pròxim, no hi hauria a Brasil un sistema de distribució oberta de TDT d'alta definició a través de satèl¿lit. D'acord amb això, l'Institut de Recerca Eldorado va decidir que seria necessari crear un nou ASIC per a la recepció de radiodifusió per satèl¿lit. basat en l'estàndard DVB-S2. En esta tesi s'analitza en detall l'arquitectura i els algorismes proposats per l'execució d'un receptor ISDB-T de Freqüència Intermèdia (FI) de baixa complexitat sobre CMOS de Circuit Integrat d'Aplicacions Específiques (ASIC). L'arquitectura ací proposada es basa molt en l'algorisme de l'Ordinador Digital de Rotació de Coordenades (CORDIC), que és un algorisme simple i eficient adequat per implementacions VLSI. El receptor fa front a les deficiències inherents a la transmissió de canals sense fil i els cristalls del receptor. Esta tesi també analitza la metodologia adoptada i presenta els resultats de l'execució. Es presenta el rendiment del receptor i es compara amb els obtinguts per mitjà de simulacions. D'altra banda, esta tesi també presenta l'arquitectura i els algorismes d'un receptor de DVB-S2 de cara a la seua implementació en ASIC. No obstant això, a diferència del receptor ISDB-T, només s'introdueixen resultats preliminars d'implementació en ASIC. Això es va fer principalment amb la finalitat de tenir una estimació primerenca de la zona de dau per demostrar que el projecte en ASIC és econòmicament viable, així com per verificar possibles errors en l'etapa primerenca. Com en el cas del receptor ISDB-T, este receptor es basa molt en l'algorisme CORDIC i va ser un prototip de FPGA. La metodologia utilitzada per al segon receptor es deriva de la utilitzada per al receptor IRodrigues De Lima, E. (2016). Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61967TESI

Next generation multibeam satellite systems

Satellite communication will play a central role towards fulfilling next generation 5G communication requirements. As a matter of fact, anytime-anywhere connectivity cannot be conceived without the presence of the satellite segment. Indeed, satellite communication industry is not only targeting popular markets but also to high dense populated areas where the satellite will become an essential element to decongest the terrestrial wireless network. In order to deliver broadband interactive data traffic, satellite payloads are currently implementing a multibeam radiation pattern. The use of a multibeam architecture brings several advantages in front of a single global beam transmission. First, as an array fed reflector is employed, the antenna gain to noise ratio can be increased leading to high gain in the achievable throughput. Second, different symbols can be simultaneously sent to geographically separated areas, allowing a spatially multiplexed communication. Last but not least, the available bandwidth can be reused in sufficiently separated beams, increasing the spectrum reuse in the overall coverage area. Whenever the system designers target the terabit satellite system the aforementioned multibeam architecture shall be reconsidered. Indeed, the achievable rates can be extremely increased in case a more aggressive frequency reuse is deployed and interference mitigation techniques are implemented either at the user terminal (multiuser detection) or in the transmitter (precoding). Our study deals with the problem of precoding and linear filtering receiving methods for multibeam satellite systems when full frequency reuse is considered. Concretely, we consider the particular restrictions of satellite communications which, in contrast to terrestrial communication systems, suffer from additional drawbacks. First, the feeder link shall aggregate the overall data traffic leading to a very large rate requirement. This required data rate is even increased whenever linear filtering at the return link and precoding in the forward link are deployed. This is because the feed signals, which are larger than the number of beams, shall be computed on ground. In order to solve this problem, we propose a hybrid architecture where the satellite payload is equipped with a fixed processing. This on-board processing linearly transforms the received and transmitted data in order to keep the feeder link rate requirement low. The on-board processing results to be the same for both return and forward links, leading to a large reduction of the payload complexity, mass and cost. Second, as the data traffic can be generated by different gateways, the precoding method shall be designed accordingly. In contrast to previous works, this work studies the case where the collaboration between different gateways is limited. In addition to the aforementioned contribution, in this work some unexplored aspects of multi-gateway multibeam precoding are also investigated. Finally, we consider an important phenomena that currently needs to be treated in multibeam systems: the fact that a single codeword is embedded the information of multiple users in each beam. This leads to the difficult so-called multigroup multicast model, whose optimization requires computationally complex operations. In order to solve this problem: i) we propose a two-stage precoding design in order to both limit the multibeam interference and to enhance the intra-beam minimum user signal power, ii) a robust version of the proposed precoder based on a first perturbation model is presented. This mechanism behaves well when the channel state information is corrupted, iii) we propose a per beam user grouping mechanism so as its robust version in order to increase the precoding gain. Forth, a method for dealing with the multiple gateway architecture is presented that offers high throughputs with a low inter-gateway communication.La comunicación por satélite desempeñará un papel central en el cumplimiento de los requisitos de comunicación 5G de próxima generación. Como cuestión de hecho, la conectividad cualquier momento y lugar no se puede concebir sin la presencia del segmento satelital. De hecho, la industria de la comunicación por satélite no sólo se dirige a los mercados populares, sino también a la alta densas zonas pobladas donde el satélite se convertirá en un elemento esencial para descongestionar la red inalámbrica terrestre. Para entregar el tráfico de datos interactiva de banda ancha, las cargas útiles de satélites están implementando un diagrama de radiación de haces múltiples. El uso de una arquitectura multihaz aporta varias ventajas frente a un único haz de transmisión global. En primer lugar, como se emplea un reflector alimentado matriz, la ganancia de antena a ruido puede aumentar dando lugar a una alta ganancia en el rendimiento alcanzable. En segundo lugar, diferentes símbolos pueden ser enviados simultáneamente a las áreas separadas geográficamente, lo que permite una comunicación multiplexada espacialmente. Por último, pero no menos importante, el ancho de banda disponible puede ser reutilizado en las vigas suficientemente separadas, el aumento de la reutilización del espectro en el área de cobertura global. Cada vez que los diseñadores de sistemas se dirigen el sistema de satélites terabit se reconsideró la arquitectura multihaz mencionado. De hecho, las tasas alcanzables pueden ser extremadamente aumentaron en caso de reutilización de frecuencias más agresiva está desplegado y las técnicas de reducción de interferencias se implementan ya sea en el terminal de usuario (detección multiusuario) o en el transmisor (precodificación). Nuestros estudio aborda el problema de precodificación y filtrado lineal recibir métodos para sistemas de satélites multihaz cuando se considera la reutilización de frecuencias completa. Concretamente, consideramos las restricciones particulares de comunicaciones por satélite que, en contraste con los sistemas de comunicación terrestres, sufren de desventajas adicionales. En primer lugar, el enlace de conexión deberá agregar el tráfico global de datos que conduce a un requisito tasa muy grande. Esta velocidad de datos requerida es incluso aumentó cada vez filtrado lineal en el enlace de retorno y precodificación en el enlace directo se despliegan. Esto se debe a que las señales de alimentación, que son más grandes que el número de haces, se computarán en el suelo. Con el fin de resolver este problema, se propone una arquitectura híbrida, donde la carga útil del satélite está equipado con un procesamiento fijo. Este procesamiento a bordo transforma linealmente los datos recibidos y transmitidos con el fin de mantener el requisito de baja tasa de enlace de conexión. Los resultados del procesamiento de a bordo para ser el mismo para ambos enlaces directo y de retorno, dando lugar a una gran reducción de la complejidad de carga útil, la masa y el coste. En segundo lugar, como el tráfico de datos puede ser generada por diferentes puertas de enlace, el método de precodificación deberá ser diseñado en consecuencia. A diferencia de los trabajos anteriores, este trabajo estudia el caso en que la colaboración entre las diferentes pasarelas es limitado. Además de la contribución anterior, en este trabajo también se investigan algunos aspectos inexplorados de multi-gateway multihaz precodificación. Finalmente, consideramos un fenómeno importante que necesita actualmente para ser tratados en sistemas multihaz: el hecho de que una sola palabra de código se incrusta la información de múltiples usuarios en cada viga. Esto conduce a la denominada modelo de multidifusión multigrupo difícil, cuya optimización requiere operaciones computacionalmente complejos. En tal escenario, el diseño de precodificación en el enlace directo será dirigido

Precoding in multibeam satellite communications: present and future challenges

Whenever multibeam satellite systems target very aggressive frequency reuse in their coverage area, inter-beam interference becomes the major obstacle for increasing the overall system throughput. As a matter of fact, users located at the beam edges suffer from a very large interference for even a moderately aggressive planning of reuse-2. Although solutions for inter-beam interference management have been investigated at the satellite terminal, it turns out that the performance improvement does not justify the increased terminal complexity and cost. In this article, we pay attention to interference mitigation techniques that take place at the transmitter (i.e. the gateway). Based on this understanding, we provide our vision on advanced precoding techniques and user clustering methods for multibeam broadband fixed satellite communications. We also discuss practical challenges to deploy precoding schemes and the support introduced in the recently published DVB-S2X standard. Future challenges for novel configurations employing precoding are also provided

A REVIEW STUDY OF EUROPEAN R&D PROJECTS FOR SATELLITE COMMUNICATIONS IN 5G/6G ERA

Κατά τις τελευταίες δεκαετίες τα δορυφορικά συστήματα τηλεπικοινωνιών έχουν προσφέρει μια γκάμα από πολυμεσικές υπηρεσίες όπως δορυφορική τηλεόραση, δορυφορική τηλεφωνία και ευρυζωνική πρόσβαση στο διαδίκτυο. Οι μακροπρόθεσμες τεχνολογικές αναβαθμίσεις σε συνδυασμό με την προσθήκη νέων δορυφορικών συστημάτων γεωστατικής και ελλειπτικής τροχιάς και με την ενσωμάτωση τεχνολογιών πληροφορικής έχουν ωθήσει την αύξηση του μέγιστου εύρους των δορυφόρων στο 1Gbps σε μεμονωμένους δορυφόρους ενώ σε διάταξη αστερισμού μπορούν να ξεπεράσουν το 1 Tbps. Σε συνδυασμό με την μείωση του χρόνου απόκρισης σε ρυθμούς ανταγωνιστικούς με τις χερσαίες υποδομές ανοίγουν νέες ευκαιρίες και νέους ρόλους εντός ενός οικοσυστήματος ετερογενούς δικτύων 5ης γενιάς. Σε αυτήν την διατριβή, αξιολογούμε επιδοτούμενα επιστημονικά προγράμματα έρευνας και ανάπτυξης της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Διαστήματος (ESA) και του προγράμματος επιδότησης Horizon 2020 της Ευρωπαϊκής Ένωσης, προκειμένου να εξηγήσουμε τις δυνατότητες των δορυφόρων εντός ενός ετερογενούς δικτύου 5ης γενιάς, αναφέρουμε συγκεκριμένα αυτά που αφορούν την εξέλιξη των δορυφορικών ψηφιακών συστημάτων και την ικανότητα ενσωμάτωσης τους σε τωρινές αλλά και μελλοντικές υποδομές χερσαίων τηλεπικοινωνιακών δικτύων μέσω της εμφάνισης νέων τεχνολογιών στις ηλεκτρονικές και οπτικές επικοινωνίες αέρος μαζί με την εμφάνιση τεχνολογιών πληροφορικής όπως της δικτύωσης βασισμένης στο λογισμικό και της εικονικοποίησης λειτουργιών δικτύου. Αναφερόμαστε στους στόχους του κάθε project ξεχωριστά και κατηγοριοποιημένα στους ακόλουθους τομείς έρευνας: -Συσσωμάτωση των δορυφόρων με τα επίγεια δίκτυα 5ης γενιάς με οργανωμένες μελέτες και στρατηγικές -Ενσωμάτωση των τεχνολογιών δικτύωσης βασισμένης στο λογισμικό και εικονικοποίησης λειτουργιών δικτύου στο δορυφορικών τμήμα των δικτύων 5ης γενιάς -Ο ρόλος των δορυφόρων σε εφαρμογές του διαδικτύου των πραγμάτων σε συνάφεια με τα χερσαία δίκτυα 5ης γενιάς -Ο ρόλος των δορυφόρων στην δίκτυα διανομής πολυμεσικού περιεχομένου & η επιρροή των πρωτοκόλλων διαδικτύου στην ποιότητα υπηρεσίας χρήστη κατά την διάρκεια μιας δορυφορικής σύνδεσης. -Μελλοντικές βελτιώσεις και εφαρμογές στα δορυφορικά συστήματα με έμφαση στα μελλοντικά πρότυπα του φυσικό επιπέδου Στο τέλος διαθέτουμε ένα παράρτημα που αφορά τεχνικές αναλύσεις στην εξέλιξη του φυσικού επιπέδου των δορυφορικών συστημάτων, συνοδευόμενο με την συσχετιζόμενη βιβλιογραφία για περαιτέρω μελέτη.Over the last decades satellite telecommunication systems offer many types of multimedia services like Satellite TV, telephony and broadband internet access. The long-term technological evolutions occurred into state-of-the-art satellite systems altogether with the addition of new high throughput geostatic and non-geostatic systems, individual satellites can now achieve a peak bandwidth of up to Gbps, and with possible extension into satellite constellation systems the total capacity can reach up to Tbps. Supplementary, with systems latency being comparable to terrestrial infrastructures and with integration of several computer science technologies, satellite systems can achieve new & more advanced roles inside a heterogeneous 5G network’s ecosystem. In this thesis, we have studied European Space Agency (ESA’s) and European Union’s (EU) Horizon 2020 Research and Development (R&D) funded projects in order to describe the satellite capabilities within a 5G heterogeneous network, mentioning the impact of the evolution of digital satellite communications and furthermore the integration with the state-of the art & future terrain telecommunication systems by new technologies occurred through the evolution of electronic & free space optical communications alongside with the integration of computer science’s technologies like Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV). In order to describe this evolution we have studied the concepts of each individual project, categorized chronically and individual by its scientific field of research. Our main scientific trends for this thesis are: -Satellite Integration studies & strategies into the 5G terrestrial networks -Integration of SDN and NFV technologies on 5G satellite component -Satellite’s role in the Internet of Things applications over 5G terrestrial networks -Satellite’s role in Content Distribution Networks & internet protocols impact over user’s Quality of Experience (QoE) over a satellite link -The future proposals upon the evolution of Satellite systems by upcoming improvements and corresponding standards Finally, we have created an Annex for technical details upon the evolution of physical layer of the satellite systems with the corresponding bibliography of this thesis for future study

Generalized multicast multibeam precoding for satellite communications

This paper deals with the problem of precoding in multibeam satellite systems. In contrast to general multiuser multiple-input-multiple-output cellular schemes, multibeam satellite architectures suffer from different challenges. First, satellite communications standards embed more than one user in each frame in order to increase the channel coding gain. This leads to the different so-called multigroup multicast models, whose optimization requires computationally complex operations. Second, when the data traffic is generated by several Earth stations (gateways), the precoding matrix must be distributively computed and meet additional payload restrictions. Third, since the feedback channel is adverse (large delay and quantization errors), the precoding must be able to deal with such uncertainties. In order to solve the aforementioned problems, we propose a two-stage precoding design in order to both limit the multibeam interference and to enhance the intra-beam minimum user signal power (i.e., the one that dictates the rate allocation per beam). A robust version of the proposed precoder based on a first perturbation model is presented. This mechanism behaves well when the channel state information is corrupted. Furthermore, we propose a per beam user grouping mechanism together with its robust version in order to increase the precoding gain. Finally, a method for dealing with the multiple gateway architecture is presented, which offers high throughputs with a low inter-gateway communication. The conceived designs are evaluated with a close-to-real beam pattern and the latest broadband communication standard for satellite communications.Peer ReviewedPostprint (updated version

Interference Exploitation via Symbol-Level Precoding: Overview, State-of-the-Art and Future Directions

Interference is traditionally viewed as a performance limiting factor in wireless communication systems, which is to be minimized or mitigated. Nevertheless, a recent line of work has shown that by manipulating the interfering signals such that they add up constructively at the receiver side, known interference can be made beneficial and further improve the system performance in a variety of wireless scenarios, achieved by symbol-level precoding (SLP). This paper aims to provide a tutorial on interference exploitation techniques from the perspective of precoding design in a multi-antenna wireless communication system, by beginning with the classification of constructive interference (CI) and destructive interference (DI). The definition for CI is presented and the corresponding mathematical characterization is formulated for popular modulation types, based on which optimization-based precoding techniques are discussed. In addition, the extension of CI precoding to other application scenarios as well as for hardware efficiency is also described. Proof-of-concept testbeds are demonstrated for the potential practical implementation of CI precoding, and finally a list of open problems and practical challenges are presented to inspire and motivate further research directions in this area