Advanced Coding and Modulation for Digital Terrestrial Broadcasting and Cellular Systems

A new platform for HDTV transmissions, in the form of a new generation terrestrial digital video broadcasting standard (DVB-T2), has been developed by the DVB Project. A number of technical innovations have been included in DVB-T2 to boost throughput and ruggedness, enhance single-frequency network coverage, and ease both transmitter and receiver implementation. Several strategies have been investigated during the standard definition. This thesis present a research branch of this investigation starting from a multi-antenna overview: a new soft detector for space-time block codes (STBCs) is proposed, which is claim to be more efficient than the state of art techniques. Commercial and technical reasons have suggested the adoption of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). As multiple-antennas techniques are not backward compatible with DVB-T constellations, new modulation methods and iterative demapping schemes, suitable for OFDM in the presence of Rayleigh fading channels, are assessed in terms of diversity gain without spectral or power inefficiencies. A very important role is played by LDPC codes which are one of the principal innovation of the new digital terrestrial standard. We show how all these scenarios change once an LDPC encoding is applied to the systems. We also evaluate the performance of the coded decision directed demodulation (CD3) technique for channel estimation in DVB-T2. Since the insertion of pilot tones in the OFDM signal affects the spectral efficiency, CD3 is able to provide an accurate channel estimation with very few pilots, even in the presence of highly frequency dispersive and time-variant channels, increasing the spectrum efficiency. We give a comparison in terms of achievable throughput between DVB-T2 with CD3, even with multiple antennas, and current DVB-T. A second part is related to a cellular network scenario. Assume a set of nodes drawn uniformly at random on a finite surface having a time slot where each node broadcasts its identifier. This problem becomes of practical and theoretical interest in a dense scenario where the number of available physical resources is much smaller than the total number of nodes in the system. Here we address link level strategies for single-hop peer discovery assuming that peer identifiers are broadcasted via coded transmission and we are interested on simultaneous detection of peers which share the same physical resource then cause reciprocal interference. Several strategies are investigated through system simulations: it is shown that, in general, joint iterative decoding achieves impressive gains compared with interference cancellation even preserving almost the same complexity. Elementary modifications of broadcasted signals such as symbol permutations permit to further improve the system performance. Finally, in order to extend this work, we introduce some channel estimation procedures for primary channel models which suit with multiple detection goal.

Nel progetto DVB è stato recentemente sviluppato uno standard di nuova generazione per la trasmissione terrestre del segnale video, conosciuto come DVB-T2. Sostanzialmente si tratta di una nuova piattaforma per la trasmissione della televisione digitale ad alta dezione. Il DVB-T2 include una serie di novità tecniche per migliorarne il throughput e la robustezza, estendere la copertura delle reti a singola frequenza, e semplicare la realizzazione del trasmettitore e del ricevitore. Per questa ragione, molteplici strategie sono state studiate nella fase di definizione e stesura dei protocolli del nuovo standard. In questa tesi è presentato un lavoro di ricerca inserito in questo contesto, partendo da una prima indagine sulle trasmissioni multiantenna: a tal fine è stato proposto un decodicatore `soft' per i codici a blocco che operano nello spazio-tempo (codici STBC). Viene illustrato come sia maggiormente efficiente rispetto alle procedure presentate no ad oggi. Le strategie commerciali e tecnologiche hanno favorito l'utilizzo della modulazione OFDM. Considerando la non retrocompatibilità dei sistemi ad antenna multipla con le attuali modulazioni del sistema corrente DVB-T, nuovi schemi di modulazione e demappatura iterativa, specifici per gli schemi OFDM in presenza di canali Rayleigh fading, sono stati valutati in termini di guadagno di diversità senza inefficienze spettrali o di potenza. Un ruolo fondamentale è attribuito ai codici LDPC che sono tra le principali innovazioni del nuovo standard per il digitale terrestre. Mostreremo come cambiano le performance di tutti gli scenari analizzati quando ad essi viene accostata una codica LDPC. Inoltre daremo una valutazione del comportamento della tecnica CD3 per la stima di canale, anch'essa adottata nel DVB-T2. Poiché l'inserimento di toni pilota nel segnale OFDM indebolisce l'efficienza spettrale, il CD3 è in grado di garantire una stima di canale molto accura facendo ricorso ad un numero molto esiguo di toni pilota favorendo una maggiore efficienza dello spettro. Anche in presenza di canali tempo-varianti e altamente dispersivi in frequenza, il CD3 offre prestazioni ragguardevoli. Presenteremo un confronto tra DVB-T2 con stima di canale CD3 in singola e multipla antenna e l'attuale DVB-T in termini di throughput raggiungibile. La seconda parte riguarda uno scenario relativo alle reti cellulari. Consideriamo un insieme di nodi sparsi uniformemente a caso su di un area geografica e ipotiziamo che debbano trasmettere il loro indirizzo identificativo. Il problema assume interesse sia teorico che pratico in uno scenario ad alta densità dove il numero di risorse fisiche è di molto inferiore al numero totale di dispositivi presenti nel sistema. In questa sede vengono proposte strategie a livello di collegamento per il riconoscimento diretto dei dispositivi assumendo che l'indirizzo identificativo sia trasmesso protetto da codica e lo scopo sia di rilevare simultaneamente tutti i dispositivi che condividono la stessa risorsa fisica causando reciproca interferenza. Molteplici strategie sono state analizzate mediante simulazioni del sistema: si darà prova che, in generale, una decodica iterativa congiunta comporta un guadagno rilevante confrontanto con la tecnica classica della cancellazione di interferenza, pur mantenedo una complessità computazionale pressoché simile. Ulteriori semplici modifiche sui segnali trasmessi come la permutazione dei simboli permettono un ulteriore miglioramento delle prestazioni di sistema. Come ultimo passo, per dare un estensione pratica al lavoro, vengono introdotte alcune procedure di stima di canale per modelli di canale elementari che si adattino alla filosofia del rilevamento multiplo.