Advanced synchronization and estimation techniques for modern satellite communications

Satellite communications have become an integral part of our modern world, revolutionizing the way we connect, share information, and access services on a global scale. The ubiquity of satellite in contemporary society is evident in their multifaceted applications, including telecommunications, remote sensing, localization, navigation and beyond. Satellite networks have also become an integral component of the 5G infrastructure, offering a valuable complement and extension to the terrestrial networks. The introduction of non-terrestrial networks (NTNs), of which satellite communications is an essential part, into 5G, will ensure higher connectivity and provide internet access also to parts of the planet that are unserved or underserved by the terrestrial segment of the global communication systems, such as islands or polar regions, as well as to ships and planes located far from the coastlines. Motivated by the multitude of possible satellite applications, the analysis of channel effects becomes crucial in modern and future communication systems. In this thesis, we consider the design of novel algorithms for synchronization and parameter estimation in satellite communications. We focus our analysis on high order modulations, as they are the best candidates to satisfy the growing demand of high data rates and spectral efficiency in modern communications, but also the most affected by common channel impairments. We consider typical channel impairments that affect the signal in digital communications, namely symbol timing offsets, phase noise effects and channel nonlinearities. The aim of this work is to propose novel solutions that can be adopted to counteract these effects, and compare them with the existing strategies in the literature. We first address the problem of variable length physical layer header (PLH) detection in the second generation of the digital video broadcasting for satellite (DVB-S2X), which is a crucial step after frame synchronization. The use of a variable length PLH perfectly fits into the scenario of the DVB-S2X standard, where adaptive coding and modulation (ACM) is employed. The DVB-S2X standard foresees the use of constant length PLH. However, a more flexible solution could be the use of a variable length PLH, depending on the adopted modulation and coding (ModCod) schemes. In fact, when using ModCods operating at higher signal-to-noise ratios, the PLH length may be reduced with respect to the length foreseen by the standard. We propose different decoding strategies to estimate the length of the transmitted PLH field, which is unknown at the receiver, jointly with the decoding of the PLH code. We demonstrate that it is possible to achieve an excellent decoding performance while significantly reducing the overhead due to the transmission of the PLH field with respect to a standard fixed-length PLH. After frame synchronization, some timing misalignments may still exist. The residual timing error is, typically, smaller than the symbol time. However, especially for high symbol rates, the symbol time is relatively short, therefore even a small timing error represents a significant fraction of the symbol time. Therefore, symbol timing recovery (STR) schemes should be employed to compensate this offset. We address the parallel implementation of a closed-loop symbol timing synchronizer, by proposing a low-complexity parallel architecture, which is practically suitable for high-speed receivers. Another channel impairment that characterizes most of the communication links is phase noise (PN). It can arise from instabilities of local oscillators, either at the transmitter or at the receiver, and it can significantly degrade the system performance. PN causes random phase rotations in the transmitted carrier signal, and it is especially critical with high order modulations, such as amplitude phase-shift keying (APSK), where the points are distributed both in a circular and radial pattern. For these reasons, we focus our analysis on phase noise recovery techniques for high order modulations, as the ones adopted in DVB-S2X. We compare the performance achievable by different algorithms, under different channel conditions. Then, as we did for the timing recovery, we also propose a simple parallel architecture that can be used in high-speed applications, and we compare its performance with that achievable by serial schemes. Finally, we address the problem of nonlinear effects, which is typical of communication links where high-power amplifiers (HPA) are used, such as satellite or optical links. We propose new constellations specifically designed for nonlinear channels. We show that, compared to conventional modulation formats, they achieve good performance, especially when considering large constellation size.

Le comunicazioni satellitari sono diventate parte integrante del nostro mondo moderno, rivoluzionando il modo in cui ci connettiamo, condividiamo le informazioni e accediamo ai servizi su scala globale. L’ubiquità dei satelliti nella società contemporanea è evidente nelle loro molteplici applicazioni, tra cui telecomunicazioni, telerilevamento, localizzazione, navigazione e altro. Le reti satellitari sono diventate anche una componente integrale dell’infrastruttura 5G, offrendo un prezioso complemento ed estensione alle reti terrestri. L’introduzione delle reti non terrestri (non terrestrial networks, NTN), di cui le comunicazioni satellitari sono una parte essenziale, nel 5G, garantirà una maggiore connettività e fornirà l’accesso a Internet anche a parti del pianeta non servite o poco servite dal segmento terrestre dei sistemi di comunicazione globale, come le isole o le regioni polari, nonché a navi e aerei situati lontano dalle coste. Motivata dalla moltitudine di possibili applicazioni satellitari, l’analisi degli effetti di canale diventa cruciale nei sistemi di comunicazione moderni e futuri. In questa tesi, consideriamo la progettazione di nuovi algoritmi per la sincronizzazione e la stima dei parametri nelle comunicazioni satellitari. La nostra analisi si concentra sulle modulazioni di ordine elevato, in quanto sono le migliori candidate a soddisfare la crescente domanda di alta velocità di trasmissione dei dati e di efficienza spettrale nelle comunicazioni moderne, ma anche le più colpite dai comuni disturbi del canale. Consideriamo i tipici disturbi del canale che influenzano il segnale nelle comunicazioni digitali, ovvero gli offset di temporizzazione dei simboli, gli effetti del rumore di fase e le non linearità del canale. L’obiettivo di questo lavoro è proporre nuove soluzioni che possono essere adottate per contrastare questi effetti e confrontarle con le strategie esistenti in letteratura. Come prima cosa, affrontiamo il problema del rilevamento physical layer header (PLH) a lunghezza variabile nella seconda generazione della trasmissione video digitale via satellite (DVB-S2X), che è una fase cruciale dopo la sincronizzazione del frame. L’uso di un PLH di lunghezza variabile si inserisce perfettamente nello scenario dello standard DVB-S2X, in cui vengono impiegate la codifica e la modulazione adattive (adaptive coding and modulation, ACM). Lo standard DVB-S2X prevede l’uso di PLH a lunghezza costante. Tuttavia, una soluzione più flessibile potrebbe essere l’uso di un PLH di lunghezza variabile, a seconda dei ModCods adottati. Infatti, quando si utilizzano ModCod che operano con rapporti segnale-rumore più elevati, la lunghezza del PLH può essere ridotta rispetto a quella prevista dallo standard. Per questo, proponiamo diverse strategie di decodifica per stimare la lunghezza del campo PLH trasmesso, che è sconosciuta al ricevitore, insieme alla decodifica del codice PLH. Dimostriamo che è possibile ottenere un’eccellente prestazione di decodifica riducendo significativamente l’overhead dovuto alla trasmissione del campo PLH rispetto a un PLH standard a lunghezza fissa. Dopo la sincronizzazione del frame, possono ancora esistere alcuni disallineamenti di temporizzazione. L’errore di temporizzazione residuo è, in genere, inferiore al tempo di simbolo. Tuttavia, soprattutto per le frequenze di simbolo elevate, il tempo di simbolo è relativamente breve e quindi anche un piccolo errore di temporizzazione rappresenta una frazione significativa del tempo di simbolo. Pertanto, per compensare questo errore, è necessario ricorrere a schemi di recupero dei tempi dei simboli (symbol timing recovery, STR). Abbiamo affrontato l’implementazione parallela di un sincronizzatore di temporizzazione dei simboli ad anello chiuso, proponendo un’architettura parallela a bassa complessità, che è particolarmente adatta ai ricevitori ad alta velocità. Un altro disturbo del canale che caratterizza la maggior parte dei collegamenti di comunicazione è il rumore di fase. Esso può derivare da instabilità degli oscillatori locali, sia al trasmettitore che al ricevitore, e può degradare significativamente le prestazioni del sistema. Il rumore di fase causa rotazioni di fase casuali nel segnale portante trasmesso ed è particolarmente critico con modulazioni di ordine elevato, come l’amplitude phase-shift keying (APSK), in cui i punti sono distribuiti sia in modo circolare che radiale. Per questi motivi, concentriamo la nostra analisi sulle tecniche di recupero del rumore di fase per modulazioni di ordine elevato, come quelle adottate nel DVB-S2X. Confrontiamo le prestazioni ottenibili da diversi algoritmi, in diverse condizioni di canale. Come per il recupero della temporizzazione, proponiamo anche una semplice architettura parallela che può essere utilizzata in applicazioni ad alta velocità e confrontiamo le sue prestazioni con quelle ottenibili con schemi seriali. Infine, affrontiamo il problema degli effetti non lineari, tipici dei collegamenti di comunicazione in cui vengono utilizzati amplificatori ad alta potenza (HPA), come i collegamenti satellitari o ottici. Proponiamo nuove costellazioni appositamente progettate per i canali non lineari, dimostriando che rispetto ad altri formati di modulazione permettono di ottenere buone prestazioni, soprattutto se si considerano costellazioni di grandi dimensioni.