Novel 5G-Modulation Formats and Their Application in Optical Wireless Communications

Abstract

[ES] La red de sexta generación (6G) es la solución potencial para satisfacer los requisitos exponencialmente crecientes de los servicios y aplicaciones emergentes. La plataforma 6G espera ofrecer altas velocidades de datos, conectividad ultra alta y baja latencia en función de los indicadores clave de rendimiento (KPI) requeridos. La tecnología de comunicación por luz visible (VLC) representa una tecnología clave para la red 6G, pero requiere una técnica de modulación avanzada eficiente para cumplir con dichos requisitos. En las últimas décadas, las señales ópticas basadas en el esquema de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) han atraído mucha atención y se han convertido en la modulación más popular entre varios esquemas de acceso multiportadora, gracias a su robustez y simplicidad frente a la cancelación por trayectos múltiples utilizando el prefijo cíclico (CP). Una de las formas de onda más prometedoras para redes de próxima generación es la técnica de modulación Filter Bank MultiCarrier (FBMC). El principal beneficio del esquema FBMC es que no depende de CP y de un gran número de muestras de banda de guarda, por lo tanto, emplea varias funciones de pulso localizadas en el tiempo con una alta relación de supresión de lóbulos laterales, lo que permite mejorar la eficiencia espectral y el rendimiento del sistema como factores clave en las redes ópticas de próxima generación, y proporciona una buena alternativa a la técnica CP-OFDM. Esta Tesis pretende dar un paso adelante en la propuesta de formatos de modulación para ser utilizados en sistemas VLC como tecnología habilitadora en redes 6G. Por lo tanto, se propone el sistema Flip-FBMC con un algoritmo de truncamiento para ofrecer una transmisión de alta velocidad con baja latencia Flip-FBMC mediante el uso del algoritmo de transformación ortogonal isotrópica (IOTA) y la capa PHYsical para DYnamic AccesS y filtros de radio cognitiva (PHYDYAS). En esta Tesis se propone la ecualización multitap con el fin de mitigar la Interferencia imaginaria intrínseca (IMI) en un canal con perfiles de retardos elevado en sistemas VLC de interiores. Además, se ha mejorado rendimiento de error de las señales FBMC no coherentes mediante el análisis de la propiedad de la localización de tiempo-frecuencia con la función gaussiana extendida (EGF), donde el factor de dispersión desempeña un papel crucial en la determinación del equilibrio entre las características espectrales y la reconstrucción óptima de la calidad de la señal. Además, la Tesis proporciona el primer análisis teórico que informa de la degradación en la estimación para varios factores de clipping basada en el impacto del nivel de interferencia imaginario fuera de la zona de primer orden que no puede ser estimada mediante el preámbulo de IAM. Sin embargo, se debe enfatizar en el valor de la técnica Flip-FBMC/IAM para proporcionar el modelo unipolar en comparación con el uso del formato FBMC óptico polarizado con corriente continua (DCO-FBMC) que sufre una reducción en la estimación de la precisión. Por lo tanto, se ha demostrado el descenso del rendimiento con el sistema DCO-FBMC debido al IMI inducido fuera de los símbolos de orden cero, y que es más evidente cuando se requieren niveles bajos de corriente DC. Desde esta perspectiva, la técnica de repetición de tramas con señales Flip-FBMC ha demostrado ser una solución importante para minimizar la interferencia inducida. Por lo tanto, en esta Tesis, la modulación Flip-FBMC con repetición de tramas y perfil de filtro PHYDYAS se propone como un candidato viable para hacer frente al rango dinámico restringido del LED, en comparación con el rendimiento de los sistemas Flip-CP-OFDM y Flip-FBMC/IAM en futuras redes 6G basadas en acceso VLC.

[CA] La xarxa de sexta generació (6G) és la solució potencial per a satisfer els requisits exponencialment creixents dels servicis i aplicacions emergents. La plataforma 6G espera oferir altes velocitats de dades, connectivitat ultra alta i baixa latència en funció dels indicadors clau de rendiment (KPI) requerits. La tecnologia de comunicació per llum visible (VLC) representa una tecnologia clau per a la xarxa 6G, però requerix una tècnica de modulació avançada eficient per a complir amb estos requisits. En les últimes dècades, els senyals òptics basats en l'esquema de multiplexació per divisió de freqüència ortogonal (OFDM) han atret molta atenció i s'han convertit en la modulació més popular entre diversos esquemes d'accés multiportadora, gràcies a la seua robustesa i simplicitat enfront de la cancel·lació per trajectes múltiples utilitzant el prefix cíclic (CP). Una de les formes d'ona més prometedores per a xarxes de pròxima generació és la tècnica de modulació Filter Bank MultiCarrier (FBMC). El principal benefici de l'esquema FBMC és que no depén de CP i d'un gran nombre de mostres de banda de guarda, per tant, empra diverses funcions de pols localitzades en el temps amb una alta relació de supressió de lòbuls laterals, la qual cosa permet millorar l'eficiència espectral i el rendiment del sistema com a factors clau en les xarxes òptiques de pròxima generació, i proporciona una bona alternativa a la tècnica CP-OFDM. Esta Tesi pretén fer un pas avant en la proposta de formats de modulació per a ser utilitzats en sistemes VLC com a tecnologia habilitadora en xarxes 6G. Per tant, es proposa el sistema Flip-FBMC amb un algoritme de truncament per a oferir una transmissió d'alta velocitat amb baixa latència Flip-FBMC mitjançant l'ús de l'algoritme de transformació ortogonal isotròpica (IOTA) i la capa PHYsical per a DYnamic AccesS i filtres de ràdio cognitiva (PHYDYAS). En aquesta Tesi, es proposa l'equalització multitap per als sistemes VLC en interiors per a mitigar la interferència imaginària intrínseca (IMI) en un canal amb perfils de retards elevat. A més, el rendiment d'error dels senyals FBMC no coherents es millora mitjançant l'anàlisi de la propietat de la localització de temps-freqüència amb la funció gaussiana estesa (EGF), on el factor de dispersió exercix un paper crucial en la determinació de l'equilibri entre les característiques espectrals i la reconstrucció òptima de la qualitat del senyal. En tal escenari, a causa del rang dinàmic limitat del díode emissor de llum (LED), la millora de la precisió de l'estimació depén dels nivells de potència dels pseudopilots amb l'ús de l'arquitectura del Mètode d'Aproximació d'Interferència (IAM) i per tant, no és adequada en sistemes VLC d'il·luminació i comunicació. A més, la Tesi proporciona la primera anàlisi teòrica que informa de la degradació en l'estimació per a diversos factors de clipping basada en l'impacte del nivell d'interferència imaginari fora de la zona de primer orde que no pot ser estimada mitjançant el preàmbul de IAM. No obstant això, s'ha d'emfatitzar en el valor de la tècnica Flip-FBMC/IAM per a proporcionar el model unipolar en comparació amb l'ús del format FBMC òptic polaritzat amb corrent continu (DCO-FBMC) que patix una reducció en l'estimació de la precisió. Per tant, s'ha demostrat el descens del rendiment amb el sistema DCO-FBMC a causa del IMI induït fora dels símbols d'orde zero, i que és més evident quan es requerixen nivells baixos de corrent DC. Des d'esta perspectiva, la tècnica de repetició de trames amb senyals Flip-FBMC ha demostrat ser una solució important per a minimitzar la interferència induïda. Per tant, en esta Tesi, la modulació Flip-FBMC amb repetició de trames i perfil de filtre PHYDYAS es proposa com un candidat viable per a fer front al rang dinàmic restringit del LED, en comparació amb el rendiment dels sistemes Flip-CP-OFDM i Flip-FBMC/IAM en futures xarxes 6G basades en accés VLC.

[EN] The sixth generation (6G) network is the potential solution to meet the exponentially increasing requirements of the emerging services and applications. The 6G platform expects to offer high data rates, ultra-high connectivity, and low latency based on the required key performance indicators (KPIs). The visible light communication (VLC) technology represents a key technology for 6G network but requires an efficient advanced modulation technique to support such requirements. In the last decades, optical signals based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) scheme has attracted a lot of attention and become the most popular modulation among several multicarrier access schemes, thanks to its robustness and simplicity against multipath fading using the cyclic prefix (CP). One of the most candidate waveforms that is considered as the promising modulation technique for the next generation requirements and applications is Filter Bank MultiCarrier (FBMC) multiplexing. The major benefit of FBMC scheme is non-reliance on CP and high numbers of guard band samples, thereby, it employs several well time-frequency localized pulse functions with high side-lobe suppression ratio instead, which allows enhancing the spectral efficiency and system performance as key factors in next generation optical networks, and provides a good alternative to CP-OFDM technique. This Thesis aims to make a step forward in proposing modulation formats to be used in VLC systems as enabling technology in 6G networks. Hence, Flip-FBMC system with a truncation algorithm is proposed to offer a high-speed transmission with low latency by tackling the doubled-overhead tails at the subframes of Flip-FBMC burst by the use of the isotropic orthogonal transformation algorithm (IOTA) and PHYsical layer for DYnamic AccesS and cognitive radio (PHYDYAS) filters. Multitap equalization is proposed in this Thesis for the sake of mitigating the intrinsic imaginary interference (IMI) over a channel with high delays profile for indoor VLC system. Moreover, the error performance of non-coherent FBMC signals is enhanced by analysing the property of time-frequency localization with Extended Gaussian Function (EGF), where the spreading factor plays a crucial role in determining the trade-off between the spectral features and optimal reconstruction of signal quality. In such scenario, due to the limited dynamic range of light emitting diode (LED), improving in the accuracy of estimation depends on the power-levels of pseudo pilots with the use of Interference Approximation Method (IAM) architecture. Thereby, the analysis reveals that IAM sequence is not suitable for a real transmission scenario due to high power of IAM over the payload data which conflicts with VLC purposes of illumination and communication simultaneously. Additionally, the Thesis provides the first theoretical analysis reporting the degradation of estimation accuracy for several clipping ratios based on the impact of imaginary interference level outside the first order neighbourhood zone that cannot be estimated by IAM preamble. However, the value of Flip-FBMC/IAM technique in providing the unipolar model must be emphasized compared to the use of Direct Current biased Optical FBMC (DCO-FBMC) format that suffers from a reduction in estimating accuracy. Thereby, the downfall performance with DCO-FBMC system has been reported because of the induced IMI that spreads out the first neighbourhood symbols, which is more evident when low levels of the added DC-bias are required. From such perspective, the frame repetition technique with Flip-FBMC signals has been demonstrated as a major solution for minimizing the induced interference. Therefore, in this Thesis, Flip-FBMC/frame repetition with PHYDYAS profile is proposed as a viable candidate to cope with the restricted dynamic range of the LED, compared to the performance for each Flip-CP-OFDM and Flip-FBMC/IAM system in future 6G networks based on VLC access.