Non-Uniform Constellations for Next-Generation Digital Terrestrial Broadcast Systems

Nowadays, the digital terrestrial television (DTT) market is characterized by the high capacity needed for high definition TV services. There is a need for an efficient use of the broadcast spectrum, which requires new technologies to guarantee increased capacities. Non-Uniform Constellations (NUC) arise as one of the most innovative techniques to approach those requirements. NUCs reduce the gap between uniform Gray-labelled Quadrature Amplitude Modulation (QAM) constellations and the theoretical unconstrained Shannon limit. With these constellations, symbols are optimized in both in-phase (I) and quadrature (Q) components by means of signal geometrical shaping, considering a certain signal-to-noise ratio (SNR) and channel model. There are two types of NUC, one-dimensional and two-dimensional NUCs (1D-NUC and 2D-NUC, respectively). 1D-NUCs maintain the squared shape from QAM, but relaxing the distribution between constellation symbols in a single component, with non-uniform distance between them. These constellations provide better SNR performance than QAM, without any demapping complexity increase. 2D-NUCs also relax the square shape constraint, allowing to optimize the symbol positions in both dimensions, thus achieving higher capacity gains and lower SNR requirements. However, the use of 2D-NUCs implies a higher demapping complexity, since a 2D-demapper is needed, i.e. I and Q components cannot be separated. In this dissertation, NUCs are analyzed from both transmit and receive point of views, using either single-input single-output (SISO) or multiple-input multiple-output (MIMO) antenna configurations. In SISO transmissions, 1D-NUCs and 2D-NUCs are optimized for a wide range of SNRs and different constellation orders. The optimization of rotated 2D-NUCs is also investigated. Even though the demapping complexity is not increased, the SNR gain of these constellations is not significant. The highest rotation gain is obtained for low-order constellations and high SNRs. However, with multi-RF techniques, the SNR gain is drastically increased, since I and Q components are transmitted in different RF channels. In this thesis, multi-RF gains of NUCs with and without rotation are provided for some representative scenarios. At the receiver, two different implementation bottlenecks are explored. First, the demapping complexity of all considered constellations is analyzed. Afterwards, two complexity reduction algorithms for 2D-NUCs are proposed. Both algorithms drastically reduce the number of distances to compute. Moreover, both are finally combined in a single demapper. Quantization of NUCs is also explored in this dissertation, since LLR values and I/Q components are modified when using these constellations, compared to traditional QAM constellations. A new algorithm that is based on the optimization of the quantizer levels for a particular constellation is proposed. The use of NUCs in multi-antenna communications is also investigated. It includes the optimization in one or two antennas, the use of power imbalance, the cross-polar discrimination (XPD) between receive antennas, or the use of different demappers. Assuming different values for the parameters evaluated, new Multi-Antenna Non-Uniform Constellations (MA-NUC) are obtained by means of a particularized re-optimization process, specific for MIMO. At the receiver, an extended demapping complexity analysis is performed, where it is shown that the use of 2D-NUCs in MIMO extremely increases the demapping complexity. As an alternative, an efficient solution for 2D-NUCs and MIMO systems based on Soft-Fixed Sphere Decoding (SFSD) is proposed. The main drawback is that SFSD demappers do not work with 2D-NUCs, since they perform a Successive Interference Cancellation (SIC) step that needs to be performed in separated I and Q components. The proposed method quantifies the closest symbol using Voronoi regions and allows SFSD demappers to work.Hoy en día, el mercado de la televisión digital terrestre (TDT) está caracterizado por la alta capacidad requerida para transmitir servicios de televisión de alta definición y el espectro disponible. Es necesario por tanto un uso eficiente del espectro radioeléctrico, el cual requiere nuevas tecnologías para garantizar mayores capacidades. Las constelaciones no-uniformes (NUC) emergen como una de las técnicas más innovadoras para abordar tales requerimientos. Las NUC reducen el espacio existente entre las constelaciones uniformes QAM y el límite teórico de Shannon. Con estas constelaciones, los símbolos se optimizan en ambas componentes fase (I) y cuadratura (Q) mediante técnicas geométricas de modelado de la señal, considerando un nivel señal a ruido (SNR) concreto y un modelo de canal específico. Hay dos tipos de NUC, unidimensionales y bidimensionales (1D-NUC y 2D-NUC, respectivamente). Las 1D-NUC mantienen la forma cuadrada de las QAM, pero permiten cambiar la distribución entre los símbolos en una componente concreta, teniendo una distancia no uniforme entre ellos. Estas constelaciones proporcionan un mejor rendimiento SNR que QAM, sin ningún incremento en la complejidad en el demapper. Las 2D-NUC también permiten cambiar la forma cuadrada de la constelación, permitiendo optimizar los símbolos en ambas dimensiones y por tanto obteniendo mayores ganancias en capacidad y menores requerimientos en SNR. Sin embargo, el uso de 2D-NUCs implica una mayor complejidad en el receptor. En esta tesis se analizan las NUC desde el punto de vista tanto de transmisión como de recepción, utilizando bien configuraciones con una antena (SISO) o con múltiples antenas (MIMO). En transmisiones SISO, se han optimizado 1D-NUCs para un rango amplio de distintas SNR y varios órdenes de constelación. También se ha investigado la optimización de 2D-NUCs rotadas. Aunque la complejidad no aumenta, la ganancia SNR de estas constelaciones no es significativa. La mayor ganancia por rotación se obtiene para bajos órdenes de constelación y altas SNR. Sin embargo, utilizando técnicas multi-RF, la ganancia aumenta drásticamente puesto que las componentes I y Q se transmiten en distintos canales RF. En esta tesis, se han estudiado varias ganancias multi-RF representativas de las NUC, con o sin rotación. En el receptor, se han identificado dos cuellos de botella diferentes en la implementación. Primero, se ha analizado la complejidad en el receptor para todas las constelaciones consideradas y, posteriormente, se proponen dos algoritmos para reducir la complejidad con 2D-NUCs. Además, los dos pueden combinarse en un único demapper. También se ha explorado la cuantización de estas constelaciones, ya que tanto los valores LLR como las componentes I/Q se ven modificados, comparando con constelaciones QAM tradicionales. Además, se ha propuesto un algoritmo que se basa en la optimización para diferentes niveles de cuantización, para una NUC concreta. Igualmente, se ha investigado en detalle el uso de NUCs en MIMO. Se ha incluido la optimización en una sola o en dos antenas, el uso de un desbalance de potencia, factores de discriminación entre antenas receptoras (XPD), o el uso de distintos demappers. Asumiendo distintos valores, se han obtenido nuevas constelaciones multi-antena (MA-NUC) gracias a un nuevo proceso de re-optimización específico para MIMO. En el receptor, se ha extendido el análisis de complejidad en el demapper, la cual se incrementa enormemente con el uso de 2D-NUCs y sistemas MIMO. Como alternativa, se propone una solución basada en el algoritmo Soft-Fixed Sphere Decoding (SFSD). El principal problema es que estos demappers no funcionan con 2D-NUCs, puesto que necesitan de un paso adicional en el que las componentes I y Q necesitan separarse. El método propuesto cuantifica el símbolo más cercano utilizando las regiones de Voronoi, permitiendo el uso de este tipo de receptor.Actualment, el mercat de la televisió digital terrestre (TDT) està caracteritzat per l'alta capacitat requerida per a transmetre servicis de televisió d'alta definició i l'espectre disponible. És necessari per tant un ús eficient de l'espectre radioelèctric, el qual requereix noves tecnologies per a garantir majors capacitats i millors servicis. Les constel·lacions no-uniformes (NUC) emergeixen com una de les tècniques més innovadores en els sistemes de televisió de següent generació per a abordar tals requeriments. Les NUC redueixen l'espai existent entre les constel·lacions uniformes QAM i el límit teòric de Shannon. Amb estes constel·lacions, els símbols s'optimitzen en ambdós components fase (I) i quadratura (Q) per mitjà de tècniques geomètriques de modelatge del senyal, considerant un nivell senyal a soroll (SNR) concret i un model de canal específic. Hi ha dos tipus de NUC, unidimensionals i bidimensionals (1D-NUC i 2D-NUC, respectivament). 1D-NUCs mantenen la forma quadrada de les QAM, però permet canviar la distribució entre els símbols en una component concreta, tenint una distància no uniforme entre ells. Estes constel·lacions proporcionen un millor rendiment SNR que QAM, sense cap increment en la complexitat al demapper. 2D-NUC també canvien la forma quadrada de la constel·lació, permetent optimitzar els símbols en ambdós dimensions i per tant obtenint majors guanys en capacitat i menors requeriments en SNR. No obstant això, l'ús de 2D-NUCs implica una major complexitat en el receptor, ja que es necessita un demapper 2D, on les components I i Q no poden ser separades. En esta tesi s'analitzen les NUC des del punt de vista tant de transmissió com de recepció, utilitzant bé configuracions amb una antena (SISO) o amb múltiples antenes (MIMO). En transmissions SISO, s'han optimitzat 1D-NUCs, per a un rang ampli de distintes SNR i diferents ordes de constel·lació. També s'ha investigat l'optimització de 2D-NUCs rotades. Encara que la complexitat no augmenta, el guany SNR d'estes constel·lacions no és significativa. El major guany per rotació s'obté per a baixos ordes de constel·lació i altes SNR. No obstant això, utilitzant tècniques multi-RF, el guany augmenta dràsticament ja que les components I i Q es transmeten en distints canals RF. En esta tesi, s'ha estudiat el guany multi-RF de les NUC, amb o sense rotació. En el receptor, s'han identificat dos colls de botella diferents en la implementació. Primer, s'ha analitzat la complexitat en el receptor per a totes les constel·lacions considerades i, posteriorment, es proposen dos algoritmes per a reduir la complexitat amb 2D-NUCs. Ambdós algoritmes redueixen dràsticament el nombre de distàncies. A més, els dos poden combinar-se en un únic demapper. També s'ha explorat la quantització d'estes constel·lacions, ja que tant els valors LLR com les components I/Q es veuen modificats, comparant amb constel·lacions QAM tradicionals. A més, s'ha proposat un algoritme que es basa en l'optimització per a diferents nivells de quantització, per a una NUC concreta. Igualment, s'ha investigat en detall l'ús de NUCs en MIMO. S'ha inclòs l'optimització en una sola o en dos antenes, l'ús d'un desbalanç de potència, factors de discriminació entre antenes receptores (XPD), o l'ús de distints demappers. Assumint distints valors, s'han obtingut noves constel·lacions multi-antena (MA-NUC) gràcies a un nou procés de re-optimització específic per a MIMO. En el receptor, s'ha modificat l'anàlisi de complexitat al demapper, la qual s'incrementa enormement amb l'ús de 2D-NUCs i sistemes MIMO. Com a alternativa, es proposa una solució basada en l'algoritme Soft-Fixed Sphere Decoding (SFSD) . El principal problema és que estos demappers no funcionen amb 2D-NUCs, ja que necessiten d'un pas addicional en què les components I i Q necessiten separar-se. El mètode proposat quantifica el símbol més pròxim utilitzanFuentes Muela, M. (2017). Non-Uniform Constellations for Next-Generation Digital Terrestrial Broadcast Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84743TESI

COEXISTENCIA ENTRE SERVICIOS TDT Y 4G EN LA BANDA DE 700 MHZ

La propuesta principal de esta tesina de máster es obtener soluciones y resultados intermedios para el contrato de consultoría No. 000069, 2013 entre la Agencia Nacional del Espectro (ANE) de Colombia e Ingenia Telecom, SL, con el fin de mitigar el problema de la interferencia de la tecnología móvil LTE (4G) sobre los servicios de TDT en la banda de 700 MHz. Los resultados se presentan en dos líneas principales: márgenes de protección y análisis de balance de enlace. A partir de estos resultados, se puede recomendar dos posibles soluciones: utilizar un filtro paso-bajo a la entrada del receptor TDT o desestimar el uso del último canal disponible (canal 51). En este documento además se incluye el estado del arte actual, los desarrollos teóricos realizados, metodología de medida e instrumentación.The main proposal of this master thesis is to achieve solutions and intermediate results for the consultancy contract No. 000069, 2013 between the Agencia Nacional del Espectro (ANE) of Colombia and Ingenia Telecom, SL, in order to mitigate the problem of the mobile LTE (4G) technology interference on DTT in the 700 MHz band. Results are presented in two mainly lines: measures of protection ratios between technologies and link budget analysis. From these results, two possible solutions can be recommended: using a low-pass filter at the DTT receiver input or rejecting the use of the latest available DTT channel (channel 51). In this document, the state of the art, theoretical developments, methodology and instrumentation are also included.Fuentes Muela, M. (2013). COEXISTENCIA ENTRE SERVICIOS TDT Y 4G EN LA BANDA DE 700 MHZ. http://hdl.handle.net/10251/33244.Archivo delegad

Low-Complexity Demapping Algorithm for Two-Dimensional Non-Uniform Constellations

"(c) 2015 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.")Non-uniform constellations (NUCs) have been recently introduced in digital broadcasting systems to close the remaining gap to the unconstrained Shannon theoretical limit. Compared to uniform quadrature amplitude modulation (QAM) constellations, NUCs provide a signal-to-noise ratio (SNR) gain (i.e., a reduction in the required SNR), especially for high-order constellations. One-dimensional NUCs (1D-NUC) have a squared shape with non-uniform distance between the constellation symbols. Since the I and Q components remain as two independent signals, a 1D-demapper as for uniform QAM constellations is feasible. Two-dimensional NUCs (2D-NUC) provide a better performance than 1D-NUCs, since they are designed by relaxing the square shape constraint, with arbitrary shape along the complex plane. However, the main drawback of 2D-NUCs is the higher complexity at the receiver, since a 2D-demapper is needed. In this paper, we propose a demapping algorithm that reduces from 69% to 93% the number of required distances when using 2D-NUCs. The algorithm discards or replicates those constellation symbols that provide scarce information, with a performance degradation lower to 0.1 dB compared to the optimal maximum likelihood demapper.Fuentes Muela, M.; Vargas, D.; Gómez Barquero, D. (2016). Low-Complexity Demapping Algorithm for Two-Dimensional Non-Uniform Constellations. IEEE Transactions on Broadcasting. 62(2):375-383. doi:10.1109/TBC.2015.2492477S37538362

Optimization and Performance of Non-Uniform Rotated Constellations With Multi-RF Transmission Technique

"(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.")Non-Uniform Constellations (NUC) have been introduced in ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Committee - Third Generation) as one of the main novelties to improve the performance compared to uniform Quadrature Amplitude Modulation (QAM) constellations. NUCs are optimized by means of signal geometrical shaping, considering the signal-to-noise ratio (SNR) and the channel model. ATSC 3.0 implements two types of NUC, depending on the number of real-valued dimensions in which they are optimized: 1D-NUC and 2D-NUC. However, the gain of NUCs becomes almost non-existent at high SNRs, especially when optimizing for fading channels. In that particular case, Rotated Constellations (RC) can be used to further improve the overall system performance. RCs may become especially effective when using multi-radio frequency (multi-RF) SNR averaging techniques such as Channel Bonding (CB) or Time-Frequency Slicing (TFS), where in-phase (I) and quadrature (Q) components are transmitted in different RF channels. 2D-NUCs can be rotated without increasing the demapping complexity, since a 2D-demapper is also needed. In this paper, we propose an optimization method designed for rotated 2D-NUCs, in which the rotation angle is considered as an additional variable, together with the symbol positions. The SNR gain obtained in fading channels is also provided for three different use cases: single-RF transmissions, CB with 2 RF channels as adopted in ATSC 3.0, and extension of multi-RF techniques to 4 RF channels.This work was supported by the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain, through the European FEDER Fund under Grant TEC2014-56483-R.Fuentes Muela, M.; Giménez Gandia, JJ.; Gómez Barquero, D. (2016). Optimization and Performance of Non-Uniform Rotated Constellations With Multi-RF Transmission Technique. IEEE Transactions on Broadcasting. 62(4):855-863. https://doi.org/10.1109/TBC.2016.2576601S85586362

Interference Analysis for DVB-T2 Network Planning in Colombia with other Television Broadcasting Technologies

"(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."[EN] Across the Andean Region the Digital Television (DTT)is already in motion. While most of countries in South America have adopted the Brazilian adaptation of the Japanese DTT standard ISDB-Tb, Colombia selected the second-generation Europan DTT standard DVB-T2, generating unique and completely new coexistence broadcasting scenarios, Firstly, it is the first region in the word in which DVB-T2 and ISDB-Tb coexist. Additionally, DVB-T2 have to coexist with analogue TV NTSC transmissions until the analogue switch-off. This paper provides interference protection ratios based on laboratory measurements and performs coexistence studies in realistic scenarios to illustrate the importance of assessing the protection ratios to achieve an efficient spectrum usage.This work was partialy supported by the ANE (Agencia Nacional del Espectro) of Colombia.Ribadeneira-Ramírez, JA.; García Pardo, C.; Fuentes Muela, M.; Gómez Barquero, D.; Cardona Marcet, N. (2016). Interference Analysis for DVB-T2 Network Planning in Colombia with other Television Broadcasting Technologies. IEEE Latin America Transactions. 14(3):1162-1168. doi:10.1109/TLA.2016.7459594S1162116814

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

Frequency and Network Planning and Optimization of the Digital Terrestrial Television DVB-T2 Networks in Colombia

[EN] In December 2011, Colombia updated its national Digital Terrestrial Television (DTT) standard from DVB-T to DVBT2, the second-generation European DTT standard. DVBT2 is the current state-of-the art DTT system in the world, and it brings very significant improvements in terms of capacity, robustness and flexibility compared with any other DTT technology. The iTEAM Research Institute was very involved in the promotion and adoption of DVB-T2 in Colombia. The case of Colombia is unique because it was the first country to deploy DVB-T2 with 6 MHz channelization, and because the digital networks will co-exist with the analogue NTSC network until the analogue switch-off and with digital ISDB-Tb and DVB-T networks in the neighbor countries. Furthermore, DVB-T2 networks will be deployed from scratch without any constraint imposed by existing DVB-T infrastructure. This paper provides an overview of the frequency and network DVB-T2 planning activities performed by the iTEAM Research Institute in cooperation with the Spectrum Regulator of Colombia.This work was partially supported by the Spectrum Regulator of Colombia ANE (Agencia Nacional del Espectro). The authors thank the Spanish companies Ingenia-Telecom and Axión Infraestructuras de Telecomunicación, partners in some of the projects developed for the ANE.Gómez Barquero, D.; López Sánchez, J.; Martinez Pinzon, G.; Ribadeneira Ramírez, JA.; Garro Crevillen, E.; García Pardo, C.; Fuentes Muela, M.... (2014). Frequency and Network Planning and Optimization of the Digital Terrestrial Television DVB-T2 Networks in Colombia. Waves. 6:35-49. http://hdl.handle.net/10251/56485S3549

Evaluación de Prestaciones (Rendimiento e Interferencias) del Estándar de TDT ISDB-TB, mediante Simulaciones y Mediciones

La realización de este Proyecto Final de Carrera tiene como objetivo principal evaluar en diferentes aspectos el estándar de televisión digital terrestre ISDB-Tb, y compararlo con otros estándares actuales como son DVB-T y DVB-T2. Para llevar a cabo esto, se han seguido dos líneas de investigación: a. Desarrollo y validación de un simulador de capa física: - Desarrollo de un simulador del estándar ISDB-Tb en código Matlab, que implemente el proceso de transmisión, el paso por el canal y el proceso de recepción. - Tanto el proceso de transmisión como el de recepción, se desarrollarán mediante un desarrollo en bloques, acorde a las especificaciones técnicas del estándar [ISDB-CCFSM]. - Generación de ficheros [I, Q] en el punto entre la transmisión y paso por el canal, para utilizar como señal útil e interferencia en medidas de laboratorio. - Obtención de curvas de rendimiento BER vs CNR (Bit Error Rate vs. Carrier to Noise Ratio), para todos los posibles MODCOD y determinados modelos de canal: AWGN, Rice y Rayleigh. - Comparación de dichas curvas con las obtenidas para otros estándares: DVB-T y DVB-T2 (con ancho de banda de 6 MHz). Se compararán capacidades, CNR, Code Rates, modulaciones, etc. - Extraer conclusiones y evaluar qué estándar ofrece un mejor rendimiento para cada una de las condiciones propuestas. b. Medida de interferencias: obtención de márgenes de protección: - A partir de diferentes ficheros IQ generados mediante los simuladores de ISDB-Tb, DVB-T y DVB-T2, evaluar el comportamiento de cada uno de los tres estándares ante interferencias co-canal y de canales adyacentes. - Se efectuarán tres campañas de medidas: o ISDB-Tb vs. ISDB-Tb o DVB-T vs. DVB-T o DVB-T2 vs. DVB-T2 - Obtener, para determinados MODCOD de interés, los márgenes de protección frente a interferencia necesarios para que la señal útil continúe funcionando con un BER ¿ 2·10-4 en recepción. - Comparar los márgenes de protección obtenidos con cada uno de los estándares, para MODCOD equivalentes en cobertura. - Estimar cuál de los tres estándares ofrece un mejor comportamiento ante cada uno de los dos tipos de interferencia.Fuentes Muela, M. (2012). Evaluación de Prestaciones (Rendimiento e Interferencias) del Estándar de TDT ISDB-TB, mediante Simulaciones y Mediciones. http://hdl.handle.net/10251/33245.Archivo delegad