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Universit di Padova

Facolt di Ingegneria

Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione Scuola di Dottorato di Ricerca in Ingegneria dell'Informazione Indirizzo: Scienza e Tecnologia dell'InformazioneCiclo XXII

Advanced Coding and Modulation for Digital Terrestrial Broadcasting and Cellular SystemsDirettore della Scuola: Supervisore:

Tesi di Dottorato di Ricerca

Ch.mo Prof. Matteo Bertocco

Ch.mo Prof. Lorenzo VangelistaDottorando:Alberto Vigato

While theoretically and technically television may be feasible, commercially and nancially it is an impossibility, a development of which we need waste little time dreaming. - Lee De Forest, 1926 -

Television won't last because people will soon get tired of staring at a plywood box every night. - Darryl Zanuck, 1946 -

Television won't last. It's a ash in the pan. - Mary Somerville, 1948 -

ContentsAcknowledgments Abstract Sommario List of Acronyms and Abbreviations 1 Introduction1.1 Thesis Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

v vii ix xi 13

2 DVBT2 Overview2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Background and Commercial Requirements . . . . . . . . . . . DVBT2 System Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Error Protection Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 2.5.2 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.7 2.8 Rotated Constellations . . . . . . . . . . . . . . . . . . PAPR Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56 7 9 10 12 13 13 14 15 15 16 16 17 18

Synchronization and Channel Estimation . . . . . . . . . . . . P1 Symbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P2 Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Scattered and Continual Pilots

Pilot Reference Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

MultipleAntenna Techniques

Performance and Mode Comparison . . . . . . . . . . . . . . .

3 Multiantenna Systems Overview3.1 ST Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 3.1.2 3.1.3 STBC with Orthogonal Design Rotationbased STBC . . . . . . . . . . . . . STBC with Cyclic Division Algebra Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1920 22 23 27

i

ii

Contents

3.2

Delay Diversity

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

4 Hard and Soft Detection of STBC4.1 4.2 Sphere Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 The Complex Sphere Decoder . . . . . . . . . . . . . . Iterative MLM Complex Sphere Decoder . . . . . . . . Groupwise MLM Complex Sphere Decoder . . . . . . Soft Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2929 33 37 38 40 42 42 44 48 48 50 55 56

Performance Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Methods Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Performance on STBCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sphere Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Complex SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ICSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . GCSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

PseudoCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 Modulation Diversity Schemes5.1 Mapping Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 Remapped Repetition . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rotational MultiCarrier Modulation . . . . . . . . . . Multidimensional Rotated QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uncoded Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Coded Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6162 63 65 67 67 68 69 72

Simulation Results

MRQAM Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 Joint Performance of Interleaving and Mapping6.1 6.2 DVBT2 Simplied System Model . . . . . . . . . . . . . . . . Interleavers and Demux from DVB 6.2.1 6.2.2 6.3 6.3.1 6.3.2 Portable channel . . . . . . . . . . . . . . . AWGN channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7374 76 76 77 79 80 81

Nonstandard Methods

Iterative Demapping

Remapped Repetition . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 Coded Decision Direct Demodulation7.1 DVBT2 System Model 7.1.1 7.1.2 7.1.3 Error Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Link Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frame Builder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8586 86 87 87

Contents

iii

7.1.4 7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 7.4 7.3.1 7.4.1 7.4.2 7.4.3

OFDM Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Channel Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reference Symbol in DVBT2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Channel Estimate for MISO Transmissions with CD3 . Single Transmit Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . Multiple Transmit Antennas . . . . . . . . . . . . . . . Computational Complexity and Conclusions . . . . . .

88 88 89 92 93 94 94 95 98 98

The CD3 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

MISO Techniques to Improve Portable Reception

Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8 Multiple Users Discovering8.1 8.2 8.1.1 8.2.1 8.2.2 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.3.6 8.3.7 8.4 8.4.1 8.4.2 8.5 Communication Model System Level

101

Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Wireless Environment and Typical Topology . . . . . . 104 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 . . . . . . . . . . . . . . 106

Link Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Successive Interference Cancellation . . . . . . . . . . . 107 Optimal Decoding Rule Joint Iterative Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 . . . . . . . . . . . . . 112 . . . . . . 114 Optimal Joint Decoding on the Trellis Product . . . . . 108 JID using Convolutional Codes

Receiver Algorithms: Coherent Case

Preliminary Comparison: ST vs JID vs SIC

Detailed Comparison: JID vs SIC Performance . . . . . 115 . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 . . . . . . . . . . . . . . . 121 General Performance of JID rable Trellis Complexity

Dense Scenario: Coherent Case

ST vs Conventional Single User Detection at Compa. . . . . . . . . . . . . . . . . 122 . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 . . . . . . . . . . . . . . . 124 . . . . . . . . . . . . 130

Decoding Algorithms: NonCoherent Case . . . . . . . . . . . 123 8.5.1 8.5.2 8.5.3 8.5.4 8.5.5 Optimal Decoding Rule Hierarchical Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Flat Fading Channel Model Improved Implementation: Dierent Interleavers . . . . 129 Frequency Oset Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

8.6

Final Considerations

9 Conclusions Bibliography

135 139

iv

Contents

AcknowledgmentsPadova, gennaio 2010Sono trascorsi ormai tre anni da quando ho iniziato la scuola di dottorato presso il dipartimento di ingegneria dell'informazione all'universit di Padova, tre anni vissuti tra esperienze ricche di sde, impegno, curiosit, dicolt ma soprattutto molte soddisfazioni. Ringrazio per la fortuna di aver sempre potuto contare su una famiglia solida, aperta al confronto e benevola nell'assecondare le mie aspirazioni, presente e pronta nel sostenermi e confortarmi quando ho dovuto arontare i momenti pi ardui e ostili. Grazie pap Fulvio, mamma Carla e Alessandro. Ai miei supervisori: rinnovo il mio ringraziamento al prof.

Gianfranco

Cariolaro che n da quando ero studente magistrale ha creduto in me e nellemie capacit, grazie per il forte incentivo a intraprendere la strada del dottorato, per gli utili suggerimenti impartiti in questo cammino e per avermi oerto l'opportunit di Qualcomm. Un sentito ringraziamento va al prof.

Lorenzo Vangelista, grande gura di riferimento di profonda umanit e digran cuore nella mia crescita professionale, grazie per l'enorme disponibilit dimostrata in questi anni, per ogni prezioso aiuto, ogni consiglio e la profonda ducia sovente accompagnata da parole di incoraggiamento. Grazie al prof. Nevio Benvenuto e al prof. Stefano Tomasin, la cui brillante esperienza accademica e la costante disponibilit hanno illuminato tutto il percorso di ricerca condotta in dipartimento sul DVBT2 , orendo sempre spunti interessanti che impreziosivano ogni argomento sviluppato durante il mio lavoro. Grazie alla dott.sa Vittoria Mignone, al dr Alberto Morello e allo sta dei laboratori di ricerca RAI di Torino, per avere aperto questa interessante e procua collaborazione con il nostro dipartimento sul progetto DVB. Grazie inoltre ai docenti dei corsi didattici seguiti durante il dottorato, in particolare al prof. Paolo Ciatti e un ricordo al prof. Lorenzo Brunetta.

v

vi

Acknowledgments

Per l'esperienza di Qualcomm oltre al professor Cariolaro debbo la mia gratitudine al dr Roberto Padovani che in prima persona ha accettato la mia candidatura alla scholarship, al dr Thomas Richardson al dr Junyi Li per avermi accolto a far ricerca nel loro sta, presso la sede Flarion, al dr Cyril

Masson che mi ha condotto e consigliato con costanza e pazienz

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