Evaluation and Optimization of Multiple-Input Multiple-Output Antenna Schemes for Next-Generation Wireless Broadcasting

Abstract

[ES] Los esquemas de antenas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) pueden maximizar la eficiencia espectral de los sistemas de Televisión Digital Terrestre (TDT) para la provisión de contenidos de gran capacidad, como los servicios emergentes de televisión de ultra alta definición (UHDTV), en el cada vez más escaso y limitado espectro radioeléctrico de la TDT debido a la creciente demanda de servicios inalámbricos de banda ancha (4G y 5G). Las tecnologías MIMO han sido desarrolladas inicialmente en la especificación técnica de TDT DVB-NGH (Digital Video Broadcasting Next Generation Handheld) y estandarizadas en el último estándar de TDT, ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Committee 3rd Generation). Sin embargo, no hay despliegues comerciales MIMO de TDT. Por otro lado, la industria móvil ha desarrollado una tecnología de radiodifusión móvil, conocida como hoy en día como 5G Broadcast, basado en LTE (Long Term Evolution). Aunque LTE incorpora MIMO para transmisiones unicast punto a punto, 5G Broadcast sólo utiliza una única antenna en transmisión. Esta tesis doctoral tiene como objetivo evaluar el rendimiento de MIMO para radiodifusión (terrestrial broadcast) para sistemas inalámbricos de radiodifusión de nueva generación, tanto TDT como sistemas celulares. Durante la estandarización de los sistemas MIMO TDT, el diseño inicial tiene en cuenta condiciones de recepción perfectas, por ejemplo, demoduladores óptimos, información de estado del canal (CSI) perfecta, estimación perfecta de la potencia del ruido, etc. El objetivo principal de esta tesis doctoral es evaluar y optimizar el rendimiento de las transmisiones de radiodifusión MIMO en escenarios realistas. Esta tesis doctoral propone nuevos modelos de canales de propagación MIMO terrestres basados en medidas de campo que pueden utilizarse para la evaluación del rendimiento del sistema MIMO TDT. Además, también optimiza las diferentes configuraciones de transmisión y recepción MIMO, como la estimación de los canales MIMO en el receptor, y el procesado de señal. El escenario considerado en la tesis son torres de alta potencia con recepción fija, característico de las redes de TDT. Los resultados de esta tesis han contribuido al foro de estandarización ATSC, al sector de radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-R) y al proyecto nacional japonés de investigación sobre el sistema TDT de próxima generación.

[CA] Els esquemes d"antenes de múltiples entrades i múltiples sortides (MIMO) poden maximitzar l"eficiència espectral dels sistemes de Televisió Digital Terrestre (TDT) per a la provisió de continguts de gran capacitat, com els serveis emergents de televisió d"ultra alta definició (UHDTV) , en el cada vegada més escàs i limitat espectre radioelèctric de la TDT a causa de la creixent demanda de serveis sense fil de banda ampla (4G i 5G). Les tecnologies MIMO han estat desenvolupades inicialment en l'especificació tècnica de TDT DVB-NGH (Digital Video Broadcasting Next Generation Handheld) i estandarditzades a l'últim estàndard de TDT, ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Committee 3rd Generation). No obstant això, no hi ha desplegaments comercials MIMO de TDT. D'altra banda, la indústria mòbil ha desenvolupat una tecnologia de radiodifusió mòbil, coneguda com avui dia com a 5G Broadcast, basat en LTE (Long Term Evolution). Tot i que LTE incorpora MIMO per a transmissions unicast punt a punt, 5G Broadcast només utilitza una única antena en transmissió. Aquesta tesi doctoral té com a objectiu avaluar el rendiment de MIMO per a radiodifusió (terrestrial broadcast) per a sistemes sense fil de radiodifusió de nova generació, tant TDT com sistemes cel·lulars. Durant l'estandardització dels sistemes MIMO TDT, el disseny inicial té en compte condicions de recepció perfectes, per exemple demoduladors òptims, informació d'estat del canal (CSI) perfecta, estimació perfecta de la potència del soroll, etc. L¿objectiu principal d¿aquesta tesi doctoral és avaluar i optimitzar el rendiment de les transmissions de radiodifusió MIMO en escenaris realistes. Aquesta tesi doctoral proposa nous models de canals de propagació MIMO terrestres basats en mesures de camp que es poden utilitzar per a l'avaluació del rendiment del sistema MIMO TDT. A més, també optimitza les diferents configuracions de transmissió i recepció MIMO, com l'estimació dels canals MIMO al receptor, i el processament de senyal. L'escenari considerat a la tesi són torres d'alta potència amb recepció fixa, característic de les xarxes de TDT. Els resultats d"aquesta tesi han contribuït al fòrum d"estandardització ATSC, al sector de radiocomunicacions de la Unió Internacional de Telecomunicacions (UIT-R) i al projecte nacional japonès de recerca sobre el sistema TDT de propera generació.

[EN] Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) antenna schemes in Digital Terrestrial Television (DTT) systems aim to maximize the spectral efficiency for the provision of large capacity contents in the scarce and limited DTT Radio-Frequency (RF) channel. The delivery of the emerging Ultra-High Definition TV (UHDTV) services as well as the continuous broadcast spectrum shortage due to the rapidly growing demand for wireless broadband services (4G and 5G) are the motivations for this proposal. MIMO technologies have been firstly developed in the DTT technical specification DVB-NGH (Digital Video Broadcasting Next Generation Handheld) and standardized in the latest DTT standard, ATSC3.0 (Advanced Television Systems Committee 3rd Generation). However, MIMO broadcasting has not been commercialized due to the additional investment for both service providers and receivers. On the other hand, mobile industry has developed mobile broadcast technologies known today as 5G Broadcast based on LTE (Long Term Evolution). Although LTE incorporates MIMO for point to point unicast, 5G Broadcast only uses a single antenna in transmission at the moment. The Ph.D. aims at assessing the performance of MIMO for broadcasting (terrestrial broadcast) for next-generation wireless broadcasting systems, including next-generation wireless broadcasting systems, both DTT and cellular system. During the standardization of MIMO DTT systems, the initial design accounts for perfect reception conditions, e.g., optimal demodulators, perfect Channel State Information (CSI), perfect noise power estimation. The main goal of this PhD is to assess and optimize the performance of MIMO wireless broadcast transmissions in realistic scenarios. This PhD proposes new models of terrestrial MIMO propagation channels based on field measurements which can be utilized for the evaluation of MIMO DTT system. Furthermore, it also optimizes the different MIMO transmission and reception configurations, such as broadcast MIMO channel estimation and signal processing. The scenarios considered in the thesis are high-power high-tower transmitter with fixed reception and characteristics of DTT networks. The results of the PhD have contributed to the ATSC standardization forum, International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R), and the Japanese national research project on next generation DTT system.