Submitted by Marta Toyoda (1144061@mackenzie.br) on 2018-02-06T23:04:35Z No. of bitstreams: 2 RICARDO SERIACOPI RABAÇA.pdf: 12578451 bytes, checksum: 9aa6f50946d5c917a7ea4e5b6841ef6f (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Paola Damato (repositorio@mackenzie.br) on 2018-04-03T12:57:50Z (GMT) No. of bitstreams: 2 RICARDO SERIACOPI RABAÇA.pdf: 12578451 bytes, checksum: 9aa6f50946d5c917a7ea4e5b6841ef6f (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-03T12:57:50Z (GMT). No. of bitstreams: 2 RICARDO SERIACOPI RABAÇA.pdf: 12578451 bytes, checksum: 9aa6f50946d5c917a7ea4e5b6841ef6f (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-08-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Fundo Mackenzie de Pesquisa / This project presents the history, basic information and advantages of using Software De ned Radio (SDR), diversity, layer division multiplexing (LDM) technique and the latest digital TV standards in a digital communication system. These subjects have been relevant in the scienti c community, making the project attractive in terms of the possibility of discoveries and optimizations. After that, the implementation of a digital communication system using these technologies is proposed. This implementation was performed by means of GRC simulation software and the use of C++ and Python programming languages. Therefore, it was necessary to test the steps of coding, modulation and digital transmission / reception. Finally, tests were performed with systems that use diversity, for example, Single-Input Single-Output (SISO), as well as setting Single-Input Multiple-Output (SIMO), using the settings 1x 2, 1x3 and 1x4, in order to compare possible advantages in spectrum utilization, data rate and system robustness to interference. / O presente projeto apresenta o histórico, as informações básicas e as vantagens da utilização do rádio definido por software, do inglês Software Defined Radio (SDR), da diversidade, da técnica de multiplexacão por divisão em camadas, do inglês Layered Division Multiplexing (LDM) e dos mais modernos padrões de TV digital em um sistema de comunicação digital. Estes temas vêm repercutindo de forma relevante na comunidade científica, tornando o projeto atrativo em termos de possibilidade de descobertas e otimização. Posteriormente, a implementação de um sistema de comunicação digital unindo estas tecnologias _e proposta. Esta implementação foi realizada por meio do software de simulação GNU Radio Companion (GRC) e do uso das linguagens de programação C++ e Python. Para tanto, foi necessário testar as etapas de codificação, modulação e a transmissão/recepção digital. Finalmente, foram realizados testes com sistemas que utilizam diversidade, como, por exemplo, os métodos com uma entrada e uma saída, do inglês Single-Input Single-Output (SISO), além do método com uma entrada e múltiplas saídas, do inglês Single-Input Multiple-Output (SIMO), com as configurações 1x2, 1x3 e 1x4, com o intuito de comparar possíveis vantagens no aproveitamento do espectro, na taxa de dados e na robustez do sistema à interferências.

This thesis describes digital television transition in the United States. Its goal is to introduce the way how digital television broadcasting in the United States was formed and analog broadcasting was switched off, and how these changes affected American television market and usage of broadcasting spectrum. In the first part I explain a context in which American television market has been formed and has developed until the beginning of 1990s, when the debate about digital television broadcasting commenced. Reason for a development of the new television norm was a desire to broadcast in high definition. Establishment of ATSC norm is explained in 4th chapter. Following chapter describes how digital television coverage grew and what the expenses were for viewers. The thesis then describes spectrum auctions and changes in the television market which digital television transition brought. When the transition ended need for a new debate about television emerged because current norm is becoming obsolete and did not allow broadcasting in ultra high definition. This lead to the development of ATSC 3.0 norm which allows broadcasting more programs in terrestrial television broadcasting and allows expanding terrestrial broadcasting to other mobile devices.

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 utilitzan / Fuentes Muela, M. (2017). Non-Uniform Constellations for Next-Generation Digital Terrestrial Broadcast Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84743

Tesis por compendio / Desde 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]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/105559 / Compendio

[ES] Esta disertación cubre el estado del arte en LTE eMBMS Release 14, también conocido como Enhanced Television Services (ENTV). ENTV trajo un conjunto de mejoras, tanto a nivel radio como a nivel de núcleo, que transformó a eMBMS en un estándar de televisión terrestre completo. La última versión de esta tecnología se denomina LTE-based 5G Broadcast; pero no usa New Radio ni el núcleo 5G. Para proveer una solución nativa 5G de servicios punto-a-multipunto, hubo investigación en entornos acad\'emicos y colaboraciones público-privada. La iniciativa más notable en este aspecto fue el proyecto del Horizon 2020 5G-Xcast, que transcurrió de 2017 a 2019. 5G-Xcast produjo varias soluciones a nivel de arquitectura, desde la perspectiva de provisión de contenidos, nuevas funciones de red interoperables con el núcleo 5G, hasta modificaciones a la interfaz aire basada en New Radio. Los hallazgos del proyecto están descritos en esta tesis. La tesis incluye dos ejemplos de eMBMS aplicados a verticales diferentes, una para el uso de eMBMS en entornos industriales, y otra presentando eMBMS como un sistema SAP. Incluir servicios punto-a-multipunto como un modo adicional celular trae algunos desafíos, como ya mostró la estandarización de eMBMS: las redes de radiodifusión terrestre y las redes celulares son muy distintas entre ellas. Encontrar una forma de onda viable para ambas infraestructuras es complejo. Esta tesis ofrece un punto de vista distinto al problema: un escenario de colaboración entre cadenas televisivas y operadores móviles, donde la infraestructura de radiodifusión y móvil son compartidas. Este concepto se ha definido como Convergence of Terrestrial and Mobile Networks. Las tecnologías elegidas para converger son ATSC 3.0 y 5G, usando el Advanced Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS). ATSSS está compuesto de una serie de procedimientos, interfaces, funciones de red, para permitir el uso compartido de un acceso 3GPP con uno non-3GPP, como Wi-Fi. Sin embargo, el uso de ATSSS para juntar radiodifusión y celular no es trivial, ya que ATSSS no fue dise\~ado para enlaces radio unidireccionales como ATSC 3.0. Estas limitaciones son descritas en detalle, y una propuesta para solventarlas tambi\'en está incluida. La solución se basa en Quick UDP Internet Connections (QUIC), y se usa como ejemplo para la provisión de Convergent Services (File Repair y Video Offloading). La tesis concluye con una descripción de Release 17 5MBS, con los nuevos conceptos introducidos. 5MBS es capaz de cambiar entre unicast, multicast y broadcast; dependiendo del servicio, la ubicación geográfica de los usuarios, y las capacidades de la infraestructura móvil involucradas. Para evaluar 5MBS, se ha realizado un estudio de prestaciones, basado en comunicaciones multicast dentro del núcleo de red 5G. Este prototipo 5MBS forma parte del laboratorio VLC Campus 5G, y utiliza el software comercial Open5GCore como base del desarrollo. El modelo de sistema para la experimentación esta formado por un servidor de vídeo, que se conecta al Open5GCore y a las funciones de red mejoradas con funcionalidades 5MBS. Estas funciones de red envían el contenido mediante punto-a-multipunto a un entorno radio y terminales simulados. Los resultados obtenidos resaltan el objetivo principal de la tesis: las comunicaciones punto-a-multipunto son una solución escalable para el envío de contenido multimedia en directo. / [CA] Aquesta dissertació cobreix capdavanter en LTE eMBMS Release 14, també conegut com Enhanced Television Services (ENTV). ENTV va portar un conjunt de millores, tant a nivell de ràdio com a nivell de nucli, que va transformar el eMBMS en un estàndard de televisió terrestre complet. La última versió d'aquesta tecnologia es denomina LTE-based 5G Broadcast; però no fa servir New Ràdio ni el nucli 5G. Per a proveir una solució nativa 5G de serveis punt-a-multipunt, va haver-hi investigació en entorns acadèmics i col·laboracions pública i privada. La iniciativa més notable en aquest aspecte va ser el projecte del Horizon 2020 5G-Xcast, que va transcórrer del 2017 a 2019. 5G-Xcast va produir diverses solucions a nivell d'arquitectura, des de la perspectiva de provisió de continguts, noves funcions de xarxa interoperables amb el nucli 5G, fins a modificacions a la interfície aire basada en New Radio. Les troballes del projecte estan descrits en aquesta tesi. La tesi inclou dos exemples de eMBMS aplicats a verticals diferents, una per a l'ús de eMBMS en entorns industrials, i una altra presentant eMBMS com un sistema SAP. Incloure serveis punt-a-multipunt com una manera addicional cel·lular duu alguns desafiaments, com ja va mostrar l'estandardització de eMBMS: les xarxes de radiodifusió terrestre i les xarxes cel·lulars són molt diferents entre elles. Trobar una forma d'ona viable per a totes dues infraestructures és complex. Aquesta tesi ofereix un punt de vista diferent al problema: un escenari de col·laboració entre cadenes televisives i operadors mòbils, on la infraestructura de radiodifusió i mòbil són compartides. Aquest concepte s'ha definit com Convergence of Terrestrial and Mobile Networks. Les tecnologies triades per a convergir són ATSC 3.0 i 5G, usant el Advanced Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS). ATSSS està compost d'una sèrie de procediments, interfícies, funcions de xarxa, per a permetre l'ús compartit d'un accés 3GPP amb un non-3GPP, com a Wi-Fi. No obstant això, l'ús de ATSSS per a adjuntar radiodifusió i cel·lular no és trivial, ja que ATSSS no va ser dissenyada per a per a enllaços ràdio unidireccionals com ATSC 3.0. Aquestes limitacions són descrites detalladament, i una proposta per a solucionar-les també està inclosa. La solució es basa en Quick UDP Internet Connections (QUIC), i s'usa com a exemple per a la provisió de Convergent Services (File Repair i Vídeo Offloading). La tesi conclou amb una descripció de Release 17 5MBS, amb els nous conceptes introduïts. 5MBS és capaç de canviar entre unicast, multicast i broadcast; depenent del servei, la ubicació geogràfica dels usuaris, i les capacitats de la infraestructura mòbil involucrades. Per a avaluar 5MBS, s'ha realitzat un estudi de prestacions, basat en comunicacions multicast dins del nucli de xarxa 5G. Aquest prototip 5MBS forma part del laboratori VLC Campus 5G, i utilitza el programari comercial Open5GCore com a base del desenvolupament. El model de sistema per a l'experimentació està format per un servidor de vídeo, que es connecta al Open5GCore i a les funcions de xarxa millorades amb funcionalitats 5MBS. Aquestes funcions de xarxa envien el contingut mitjançant punt-a-multipunt a un entorn ràdio i terminals simulats. Els resultats obtinguts ressalten l'objectiu principal de la tesi: les comunicacions punt-a-multipunt són una solució escalable per a l'enviament de contingut multimèdia en directe. / [EN] This dissertation covers the state-of-the-art in LTE eMBMS Release 14, also known as Enhanced Television Services (ENTV). ENTV provided a suite of radio and core enhancements that made eMBMS into a viable terrestrial broadcast standard. The latest iteration of this technology is known as LTE-based 5G Broadcast; even though it is not New Radio or 5G Core based. To bridge this gap, research efforts by academia, public and private enterprises evaluated how to provide a 5G-based solution for point-to-multipoint services. The most notable effort in this regard is the Horizon 2020 project 5G-Xcast, which ran from 2017 to 2019. 5G-Xcast provided several architectural solutions, from the content delivery perspective down to air interface specifics; providing new waveforms based on New Radio and Network Functions interoperable with a Release 15 5G Core. The findings are summarized in this thesis. Two examples of eMBMS applied to different verticals are included in the thesis, one for the use of eMBMS in industrial environments, and the other using eMBMS as a PWS technology. Providing point-to-multipoint services as another cellular service poses some problems, as the standardization process of eMBMS showed: the broadcast infrastructure is different than the cellular one. Having a waveform that is suited for both scenarios is a difficult endeavour. The thesis provides a new perspective into this problem: Having existing Terrestrial Broadcast standards and infrastructure be the point-to-multipoint solution of 5G, where mobile operators and broadcasters collaborate together. This is defined in the dissertation as Convergence of Terrestrial and Mobile Networks. The technologies chosen to be converged together were ATSC 3.0 and 5G; using the existing Release 16 framework known as Advanced Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS). ATSSS is a series of procedures, interfaces, new Network Functions, to allow the joint use of a 3GPP Access Network alongside a non-3GPP one, like Wi-Fi. However, the use of ATSSS for cellular plus broadcast brings challenges, as the ATSSS technology was not designed to be used with a unidirectional access network like ATSC 3.0. These limitations are described in detail, and an architectural proposal that overcomes the limitations is proposed. This solution is based on Quick UDP Internet Connections (QUIC), and how to provide Convergent Services (i.e File Repair and Video Offloading) is shown. The thesis concludes with a description of Release 17 5MBS, including the new concepts introduced. 5MBS features the capacity of switching between unicast, multicast and broadcast; depending on the service addressed, the geographical location of the users, and the capability of the RAN infrastructure targeted. In order to evaluate 5MBS, a performance study of the use of multicast inside the 5G Core has been carried out. The 5MBS prototype was developed as part of the VLC Campus 5G laboratory, using the commercial software Open5GCore which provides the libraries and Network Functions to deploy your own 5G Private Network in testing environments. The system model of the experiment is formed by a video server, connected to the Open5GCore and the 5MBS enhanced functions; which will deliver the content to an emulated RAN environment hosting virtual gNBs and devices. The results obtained reinforce the objective of the thesis, positioning point-to-multipoint as a scalable way to deliver live content. / Research projects: 5G-Xcast: Broadcast and Multicast Communication Enablers for the Fifth-Generation of Wireless Systems (H2020 No 761498); 5G-TOURS: SmarT mObility, media and e-health for toURists and citizenS (H2020 No 856950); FUDGE-5G: FUlly DisinteGrated private nEtworks for 5G verticals (H2020 No 957242). / Barjau Estevan, CS. (2022). Point-to-Multipoint Services on Fifth-Generation Mobile Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191408

[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]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/66081 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales