Link adaptation techniques for future terrestrial and satellite communications

Abstract

In recent years, it was becoming increasingly important a technology named Software Defined Radio (SDR). The great growth of computational power made possible the implementation of the physical layer of a communication system in software running on a processor, or firmware of devices such as FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Due to its flexibility, this technology is starting to be used not only in research but also in commercial systems. In this thesis the address the use of SDR technology, programmable radios, for communications adaptive, i.e. for communications systems that vary some of their functioning parameters in order to adapt themselves to their operational environment and provide a good performance.

More specifically, we address link adaptation, also named Adaptive Coding and Modulation (ACM), which is an important component of current communication systems, both terrestrial and satellite. Standards such as S-UMTS and DVB-S2X consider in their operation the use of ACM. The main objective of this signal processing technique is maximise the spectral efficiency of the communications and, at the same time, guarantee that the frame error rate (FER) does not exceed and a prefixed threshold. For achieving that purpose adaptive algorithms are used, whose purpose is choose the MODCOD (modulation and coding scheme) of each transmitted frame taking advantage of the available channel state information (CSI) and the outcome of the decodings. The large delay of the satellite links and the difficulty of the land mobile satellite channel make the link adaptation not to be trivial.

This thesis takes as its starting point the previous work realised by the Signal Processing in Communications Group (GPSC) in the field of link adaptation and continues with an in-depth study of the behaviour of the algorithms developed up to now, mainly their convergence. Furthermore, two new research lines will be followed: link adaptation algorithms for satellite communications where two polarizations are used and also algorithms for point to multipoint communications.

Regarding the first topic, recently the the use of double polarization in mobile satellite communications was proposed to multiply by a factor of two the capacity of the system. The simultaneous transmission in the two polarizations resembles a MIMO system (Multiple Input Multiple Output) with two antennas. In this thesis algorithms which combine MIMO and ACM techniques will be researched in order to increase the spectral efficiency of mobile satellite communications systems that use double polarization.

With regard to the second line, link adaptation algorithms for point to multipoint communications will be researched. These are very important in satellite communications due to the fact that in standards like BGAN (Broadband Global Area Network) or DVB-S2X a frame carries data to several users. The new algorithms will have to cope with a big number of users having each one reception conditions (channels) very different and will try to seek the optimum group of users for building the frames as well as the MODCOD of each frame.

These are the work lines we foresee today, but the fact of working in a dynamic environment can cause the specific topics of research to evolve with time. However, we will try to work within the field of adaptive communications and Software Defined Radio (SDR).

Nos últimos anos foi cobrando cada vez máis importancia unha tecnoloxía chamada Radio Definida por Software (SDR). O incremento da potencia do procesadores fixo posible a implementación da capa física dun sistema de comunicacións en software, executado nun procesador, ou firmware de dispositivos como FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Debido á súa flexibilidade, esta tecnoloxía está comezando a utilizarse non só en investigación senón en sistemas comerciais. Nesta tese abordarase o uso da tecnoloxía SDR, radios programables, para comunicacións adaptativas, é dicir, para sistemas de comunicacións que varían algúns dos seus parámetros de funcionamento para adaptarse ao seu entorno e ofrecer un bo rendemento.

En concreto, abordarase a adaptación de enlace, tamén chamada modulación e codificación adaptativas (ACM), que ten unha importancia notable nos sistemas de comunicacións actuais, tanto terrestres como satelitais. Estándares como S-UMTS e DVB-S2X contemplan no seu funcionamento mecanismos para implementar ACM. O obxectivo desta técnica de procesado de sinal é maximizar a eficiencia espectral das comunicacións e ao mesmo tempo garantir que a taxa de erro de trama (FER) non supera un limiar obxectivo. Para iso utilízanse algoritmos adaptativos cuxa función é elixir o MODCOD (esquema de modulación e codificación) de cada trama transmitida aproveitando a información dispoñible sobre o estado da canle (CSI) e o resultado das decodificacións. O gran retardo inherente aos enlaces satélite e a dificultade da canle satélite móbil terrestre provocan que a adaptación de enlace non sexa para nada trivial.

Esta tese doutoral parte do traballo previo realizado polo Grupo de Procesado de Sinal en Comunicacións (GPSC) no ámbito da adaptación de enlace e continúa estudando en profundidade o comportamento dos algoritmos desenvolvidos ata a actualidade, principalmente a súa converxencia. A maiores comezaranse dúas liñas de investigación novas: algoritmos de adaptación de enlace para comunicacións por satélite nas que se transmite usando dúas polarizacións e tamén para comunicacións punto a multipunto.

Respecto ao primeiro caso, recentemente propúxose o uso de dobre polarización en comunicacións por satélite móbiles para dobrar a capacidade do sistema. A transmisión simultánea nas dúas polarizacións é equivalente a un sistema MIMO (Multiple Input Multiple Output) con dúas antenas. Nesta tese investigaranse algoritmos que combinan técnicas MIMO xunto con ACM para aumentar a eficiencia espectral de sistemas de comunicacións por satélite móbiles que utilizan dobre polarización. Respecto á segunda liña, investigaranse algoritmos de adaptación de enlace para comunicacións punto a multipunto. Este caso ten moito interese porque nas comunicacións por satélite, pois en estándares como BGAN (Broadband Global Area Network) ou DVB-S2X unha trama contén datos para múltiples destinatarios. Os novos algoritmos terán que lidar cun grupo numeroso de destinatarios tendo cada un deles unhas condicións de recepción (canles) moi diferentes e buscarán as agrupacións de usuarios óptimas para construír as tramas así como o MODCOD de cada trama.

Estas son as liñas de traballo que e albiscan na actualidade, pero o feito de traballar nunha contorna dinámica pode provocar que os temas concretos da investigación evolucionen co tempo. Aínda así , intentarase traballar sempre dentro do campo das comunicacións adaptativas e a Radio Defina por Software (SDR).

En los últimos años fue adquiriendo cada vez más importancia una tecnología llamada Radio Definida por Software (SDR). El incremento de la potencia de los procesadores hizo posible la implementación de la capa física de un sistema de comunicaciones en software, ejecutado en un procesador, o firmware de dispositivos como FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Debido a su flexibilidad, esta tecnología está comenzando a utilizarse no solo en investigación si no también en sistemas comerciales. En esta tesis se aborda el uso de la tecnología SDR, radios programables, para comunicaciones adaptativas, es decir, para sistemas de comunicaciones que varían algunos de sus parámetros de funcionamento para adaptarse a su entorno y ofrecer unas buenas prestaciones.

En concreto, se abordara la adaptación de enlace, también llamada modulación y codificación adaptativas (ACM), que tiene una importancia notable en los sistemas de comunicaciones actuales, tanto terrestres como satelitales. Estándares como S-UMTS y DVB-S2X contemplan en su funcionamiento mecanismos para implementar ACM. El objetivo de esta técnica de procesado de señal es maximizar la eficiencia espectral de las comunicaciones y, al mismo tiempo, garantizar que la tasa de erro de trama (FER) no supera un umbral objetivo. Para eso se utilizan algoritmos adaptativos cuya función es elegir el MODCOD (esquema de modulación y codificación) de cada trama transmitida aprovechando la información disponible sobre e estado del canal (CSI) y el resultado de las decodificaciones. El gran retardo inherente a los enlaces satélite y la dificultad del canal satélite móvil terrestre provocan que la adaptación de enlace no sea trivial.

Esta tesis doctoral parte del trabajo previo realizado por el Grupo de Procesado de Señal en Comunicaciones (GPSC) en el ámbito de la adaptación de enlace y continúa estudiando en profundidad el comportamiento de los algoritmos desarrollados hasta la actualidad, principalmente su convergencia. A mayores, se iniciarán dos líneas de investigación nuevas: algoritmos de adaptación de enlace para comunicaciones por satélite en las que se transmite usando doble polarización y también para comunicaciones punto a multipunto.

Respecto al primero caso, recientemente se propuso el uso de doble polarización en comunicaciones por satélite móviles para doblar a capacidad del sistema. La transmisión simultánea en dos polarizaciones es equivalente a un sistema MIMO (Multiple Input Multiple Output) con dos antenas. En esta tesis se investigarán algoritmos que combinan técnicas MIMO junto con ACM para aumentar la eficiencia espectral de sistemas de comunicaciones por satélite móviles que utilizan doble polarización.

Respecto a la segunda línea, se investigarán algoritmos de adaptación de enlace para comunicaciones punto a multipunto. Este caso tiene especial interés en las comunicaciones por satélite, pues en estándares como BGAN (Broadband Global Area Network) o DVB-S2X una trama transporta datos para múltiples destinatarios. Los nuevos algoritmos tendrán que lidiar con un grupo numeroso de destinatarios teniendo cada un de ellos unas condiciones de recepción (canales) muy diferentes y buscarán las agrupaciones de usuarios óptimas para construir las tramas así como el MODCOD de cada trama.

Estas son las líneas de trabajo que se prevén en la actualidad, pero el hecho de trabajar en un entorno dinámico puede provocar que los temas concretos de la investigación evolucionen con el tiempo. Aún así, se intentará trabajar siempre dentro del campo de las comunicaciones adaptativas y la Radio Definida por Software (SDR).