Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut de traitement des signaux ITS (Laboratoire de traitement des signaux 3 LTS3)

Advanced OFDM systems for terrestrial multimedia links

Posega, Renzo ; Mlynek, Daniel (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3220.

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    Summary
    Recently, there has been considerable discussion about new wireless technologies and standards able to achieve high data rates. Due to the recent advances of digital signal processing and Very Large Scale Integration (VLSI) technologies, the initial obstacles encountered for the implementation of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation schemes, such as massive complex multiplications and high speed memory accesses, do not exist anymore. OFDM offers strong multipath protection due to the insertion of the guard interval; in particular, the OFDM-based DVB-T standard had proved to offer excellent performance for the broadcasting of multimedia streams with bitrates over ten megabits per second in difficult terrestrial propagation channels, for fixed and portable applications. Nevertheless, for mobile scenarios, improving the receiver design is not enough to achieve error-free transmission especially in presence of deep shadow and multipath fading and some modifications of the standard can be envisaged. To address long and medium range applications like live mobile wireless television production, some further modifications are required to adapt the modulated bandwidth and fully exploit channels up to 24MHz wide. For these reasons, an extended OFDM system is proposed that offers variable bandwidth, improved protection to shadow and multipath fading and enhanced robustness thanks to the insertion of deep time-interleaving coupled with a powerful turbo codes concatenated error correction scheme. The system parameters and the receiver architecture have been described in C++ and verified with extensive simulations. In particular, the study of the receiver algorithms was aimed to achieve the optimal tradeoff between performances and complexity. Moreover, the modulation/demodulation chain has been implemented in VHDL and a prototype system has been manufactured. Ongoing field trials are demonstrating the ability of the proposed system to successfully overcome the impairments due to mobile terrestrial channels, like multipath and shadow fading. For short range applications, Time-Division Multiplexing (TDM) is an efficient way to share the radio resource between multiple terminals. The main modulation parameters for a TDM system are discussed and it is shown that the 802.16a TDM OFDM physical layer fulfills the application requirements; some practical examples are given. A pre-distortion method is proposed that exploit the reciprocity of the radio channel to perform a partial channel inversion achieving improved performances with no modifications of existing receivers.
    Résumé
    Récemment, on a pu observer un intérêt considérable au sujet de nouvelles technologies et de normes sans fil capables de réaliser des débits élevés. En raison des récentes avancées dans le champ du traitement des signaux numériques et des technologies d'intégration à très grande échelle (VLSI), les obstacles initiaux rencontrés pour la réalisation des systèmes basés sur le multiplexage à division orthogonale de fréquence (OFDM), tels que le grand nombre de multiplications complexes et la nécessité d'avoir des accès mémoire à grande vitesse, n'existent plus. L'OFDM offre une forte protection en cas de chemins multiples comme on en rencontre en transmission hertzienne terrestre grâce, entre autres, à l'insertion d'un intervalle de garde; en particulier, la norme DVB-T, basée sur la technologie OFDM, s'est avérée excellente pour la distribution des flux multimédia avec des débits de plus de vingt millions de bits par seconde, dans des canaux terrestres difficiles, pour des applications fixes et portables. Néanmoins, pour les applications fortement mobiles, l'amélioration de la conception du récepteur n'est pas suffisante pour réaliser une transmission sans erreur, particulièrement en présence d'affaiblissements profonds et de chemins multiples; certaines modifications de la norme DVB-T doivent donc être envisagées. Pour cibler des applications à longue et à moyenne portée comme la production télévisuelle mobile en temps réel, d'autres modifications plus profondes sont nécessaires, par example pour adapter la largeur de bande modulée et pour exploiter entièrement des canaux jusqu'à 24MHz. Pour ces raisons, on propose un système OFDM étendu qui offre à la fois largeur de bande variable, protection améliorée à l'affaiblissement et aux chemins multiples et robustesse augmentée, grâce à un mécanisme d'entrelacement temporel des données couplé à un puissant système de correction d'erreurs enchaîné avec turbo codes. Les paramètres du système et l'architecture du récepteur ont été décrits en C++ et vérifiés avec plusieurs simulations. En particulier, l'étude des algorithmes de réception visait à réaliser le compromis optimal entre performance et complexité. De plus, la chaîne de modulation/démodulation a été réalisée en VHDL et des prototypes ont été fabriqués. Les essais en cours sur le terrain démontrent la capacité du système proposé à surmonter avec succès les problèmes dus aux canaux terrestres mobiles, comme l'affaiblissement et les chemins multiples. Pour des applications à courte distance, le partage à division de temps (TDM) est une manière efficace de partager la capacité du canal entre plusieurs terminaux. Les paramètres principaux de la modulation pour un système TDM sont discutés et on montre que la couche physique TDM OFDM du standard 802.16a remplit les exigences de l'application; quelques exemples pratiques sont donnés. On propose ensuite une méthode de pré-déformation qui exploite la réciprocité du canal radio pour exécuter une inversion partielle offrant des performances améliorées sans modifications des récepteurs existants.