New Multibeam processing schemes for high throughput satellites

Abstract

In recent years, the interest for developing new techniques which provides better spectral efficiency has arisen. The reason is the ever-growing demand of data and the available resources in satellite systems, such as bandwidth and power, which aren’t very flexible. In order to provide better spectral efficiency, more aggressive frequency reuse schemes has been proposed, at the cost of increasing the system interference. Therefore, the interest for new multibeam processing schemes which mitigates the impairments of the interference has increased. In theoretical point of view, the satellite systems are equivalent to MIMO MIMO (Multiple Input Multiple Output) systems, which are much known in the literature. In this sense, some solutions for terrestrial communications, such as precoding, have been proposed for satellite systems. Precoding is a technique which uses the instantaneous channel information to make orthogonal the signals, so that the impairments of the interference are mitigated. But the characteristics of the satellite scenario don’t allow an easy implementation of the precoding and different challenges have to be studied in order to perform a more practical implementation. One of the limitations of precoding in the satellite scenario is the requirement of the instantaneous channel information. This requirement involves an overhead in the uplink and to have in mind the large RTT (Round-Trip Delay) of the satellite scenario which makes difficult to have instantaneous channel information. However, due to the precoding performance is severely degraded if the channel information has errors, new techniques with a lower channel information requirement have taken more interest. Besides precoding, new techniques with a lower channel information requirement are also studied in this project. Therefore, new techniques will be developed from the information theory and the literature. In this new techniques, Rate-Splitting and using the interference in our benefit will have a role. On other hand, the implementation of this new techniques also involves to overcome different challenges due to the characteristics of the satellite scenario. In this sense, a practical approach of the new techniques is considered. Furthermore, traffic management, user scheduling and the different technologies of the receivers, satellites and gateways are also taken into account. In summary, the areas of work are focus on the studying of new multibeam processing schemes which provides better spectral efficiency, with two different approaches: with full channel information and with partial channel information. Furthermore, the different challenges to implement the techniques below current standards and technologies are also studied. This are the areas of work of this project. But telecommunication field of work is dynamic and it can means changes or modifications of the presented areas of work. But in any case, all efforts will be dedicated to develop new multibeam processing schemes which provides better spectral efficiency.

En los últimos años, el interés de desarrollar nuevas técnicas con una mejor eficiencia espectral en el escenario satélite ha incrementado. Debido a la creciente demanda de mayor tasa de datos y a que los recursos en los sistemas satélites, ancho de banda y potencia, no son extremadamente flexibles. Para ello se ha abierto la posibilidad de utilizar esquemas de reutilización de frecuencia más agresivos, pero que conlleva al incremento de la interferencia en el sistema. Por tanto, se ha tomado interés en estudiar y desarrollar nuevas esquemas o técnicas de procesado Multi-beam que puedan mitigar o usar en su beneficio la interferencia.

Desde un vista teórico, un sistema satélite es equivalente a un sistema MIMO (Multiple Input Multiple Output), el cual ya ha sido bastante estudiado en la literatura. En este contexto, algunas soluciones que se han aplicado a las comunicaciones MIMO para comunicaciones terrestres, como es el caso de la pre-codificación o precoding, ya se han planteado en los sistema satélites. El precoding es una técnica que utiliza la información instantánea del canal para hacer ortogonales las señales lo máximo posible, de forma que se mitiguen los efectos de la interferencia. Pero las características particulares del escenario satélite no permite una fácil aplicación del precoding, por tanto aún se tienen que abordar y estudiar los diferentes retos que supondría realizar una versión más práctica del "precoding" para el escenario satélite.

Una de las limitaciones del precoding en el escenario satélite, es el requerimiento de una información instantánea del canal. Pero esto supondría un overhead en el enlace de subida del satélite, además de tener en cuenta los grandes RTT (Round-Trip Delay) del escenario satélite que dificultan el carácter instantáneo de la información. Teniendo en cuenta estas limitaciones y que el rendimiento del precoding se ve gravemente afectado si la información de canal se ve degradada, ha despertado el interés de nuevas técnicas que tengan un requerimiento menor sobre la información de canal. Además de abordar la temática del precoding, esta tesis también abordará el estudio de estas nuevas técnicas de un menor requerimiento de información de canal. Por ello se partirá desde la teoría de la información y de la literatura, para dar forma a posible nuevas técnicas. Debido a que solo se conoce una parte de la información de canal, estás técnicas estarán más centradas en la utilización de la interferencia en su beneficio y en Rate-Splitting.

En cambio, la aplicación y posible implantación de las nuevas técnicas a desarrollar supondrá resolver diferentes retos debido a las características del escenario satélite. Esto supondrá tener que realizar un enfoque más práctico de las nuevas técnicas, como también los diferentes aspectos de gestión de tráfico y usuarios de los sistemas satélite. Además de tener en cuenta la tecnología relacionada con los receptores de los usuarios, satélites y estaciones terrenas.

En resumen, las lineas de trabajo de esta tesis se centrarán en el estudio de nuevas técnicas o esquemas de procesado Multi-beam que proporcionen una mejor eficiencia espectral, teniendo las dos perspectivas de utilizar toda la información del canal o solo una parte de esta información. Además se estudiará como abordar los diferentes retos que significarán aplicar estás nuevas técnicas teniendo en cuenta los estándares y las limitaciones tecnológicas en la actualidad.

Estas son las lineas de trabajo que se han planteado ahora. Pero el ámbito de las comunicaciones es un ámbito dinámico que puede provocar variaciones o modificaciones de las temáticas de la investigación a lo largo del tiempo. Sin embargo, siempre se mantendrá dentro de la linea de investigación principal que será estudiar nuevas técnicas que proporcionen una mejor eficiencia espectral para las comunicaciones satélite.

Nos últimos anos, o interese en desenrolar novas técnicas cunha maior eficiencia espectral no escenario satélite incrementouse. Debido a crecente demanda de maior taxa de datos e a que os recursos nos sistemas satélite, ancho de banda e potencia, no son extremadamente flexibles. Para elo, abriuse a posibilidade de utilizar esquemas de reutilización de frecuencias máis agresivos, pero que leva o incremento da interferencia no sistema. Polo tanto, tomouse o interese en estudar e desenrolar novos esquemas ou técnicas de procesado Multi-beam que poidan mitigar ou usar no seu beneficio a interferencia. Dende un punto vista teórico, un sistema satélite é equivalente a un sistema MIMO (Multiple Input Multiple Output), o cal estudiouse bastante na literatura. Neste contexto, algunhas solucións que teñen aplicación nas comunicacións MIMO para as comunicacións terrestres, como é o caso da precodificación ou precoding, xa planeouse para os sistemas satélite. O precoding é unha técnica que utiliza a información instantánea da canle para facer as sinais ortogonais, de forma que se mitiguen os efectos da interferencia. Pero as características particulares do escenario satélite non permite unha fácil aplicación do precoding, por tanto aínda se teñen que abordar e estudar os diferentes retos que supoñen realizar unha versión máis práctica do precoding para o escenario satélite. Unha das limitación do precoding no escenario satélite, é o requirimento da información instantánea do canle. Pero iso supoñe un overhead no enlace de subida, como tamén ter en conta os grandes RTT (Round-Trip Delay) do escenario satélite que dificultan o carácter simultáneo da información. Tendo en conta estas limitacións, e que o rendemento do precoding é gravemente degradado se a información de canle é degradada, creceu o interese en novas técnicas que teñas un menor requirimento da información da canle. Ademais de abordar a temática do precoding, esta tese tamén abordará o estudo de estas novas técnicas de un menor requirimento da información da canle. Por elo, partirase dende a teoría da información e de la literatura, para dar forma a posible novas técnicas. Debido a que solo se coñece unha parte da información da canle, estás técnicas estarán enfocadas na utilización da interferencia no seu beneficio e en Rate-Splitting. Por outro lado, a aplicación e posible implementación das novas técnicas a desenrolar supoñen resolver diferentes retos debido as características do escenario satélite. Isto supoñe ter que realizar un enfoque máis práctico das novas técnicas, como tamén os diferentes aspectos de xestión de tráfico e usuarios no sistema satélite. Ademais de ter en conta a tecnoloxía relacionada dos receptores, satélites e estacións terreas. En resumo, as liñas de traballo desta tese centraranse no estudo de novas técnicas de procesado Multi-beam que proporcionen unha mellor eficiencia espectral, con dúas perspectivas diferentes de utilizar toda a información da canle o solo usar unha parte de esta información. Ademais, estudarase como abordar os diferentes retos que significan aplicar estas novas técnicas tendo os estándares e as limitación tecnolóxicas da actualidade. Estas son as liñas de traballo que se planeou. Pero o ámbito das comunicación é un ámbito dinámico que pode provocar variación o modificacións das temáticas da investigación o largo do tempo. Sen embargo, sempre se seguirá a liña principal de investigación que será estudar novas técnicas que proporcionen unha mellor eficiencia espectral das comunicacións satélite.