Analog joint source channel coding for wireless communications

Abstract

[Abstract] In 1948, the Shannon's work titled "A mathematical theory of communication" completely revolutionized the way to understand the problem of the reliable communications. He showed that any communications system is able to transmit with an arbitrarily low error probability as long as the transmission rate is kept below a certain limit. The separation between the source and channel coding was also shown as the optimal strategy to achieve the theoretical limits. Those ideas inspire the development of a whole digital communication theory focused on building more and more sophisticated coding schemes. It leads to most of communication systems were designed according to a digital approach and the separation principle from that moment, whereas other alternatives were set aside. However, in the last years, communication systems based on a jointly optimization of the source and channel encoder has aroused the interest of the researchers again, specially in the case of the transmission of analog signals. This strategy, referred to as analog Joint Source Channel Coding (JSCC), has been also shown to approach the theoretical limits and provides certain advantages with respect to the conventional digital systems, such as high transmission rate, low complexity, almost zero delay and the ability of the system to adapt to time-varying environments without a full redesign. Thus, these appealing properties of the JSCC approach make it specially suitable for both real-time applications with severe requirements on the complexity and/or delay and the transmission of data at high rate over wireless channels. So far, the research on this area mainly focused on the design and evaluation of different analog JSCC systems for the transmission of Gaussian sources over Additive White Gaussian Noise (AWGN) channels. However, the behavior of this strategy on more realistic environments, such as practical implementations over real wireless channels, has not been deeply studied yet. The objective of this thesis is to evaluate the feasibility of the analog JSCC technique in the context of the wireless communications. For that purpose, several analog JSCC systems are specifically designed for the transmission of discrete-time continuous-amplitude samples over wireless channels, with the aim of preserving the desirable properties described for the case of AWGN channels.

The application of the JSCC strategy on wireless channels represents a series of important challenges for the design of these analog systems. On one hand, the analog JSCC scheme must be constantly adapted to the fluctuations of the wireless channel for the performance approaches the optimal distortion-cost tradeoff. Fortunately, this procedure does not involve a full redesign of the system since it is just enough to update the encoder parameters according to the actual channel conditions. On the other hand, the wireless communications undergo the undesirable effects of the delay spread caused by the multipath propagation of the transmitted signals. In the current wireless standards, different transmission techniques are usually employed in order to combat such effects and exploit the diversity gain provided by the channel, such as the use of multiples antennas both at the transmitter and the receiver as well as of a multicarrier modulation scheme. The integration of the analog JSCC strategy together with these techniques leads to make substantive modifications on the initial configuration -specially in the design of the decoding operation- to preserve the low complexity and delay of the resulting communication model. Finally, the practical implementation of the analog JSCC on real wireless environment also leads to deal with some additional problems that are not encountered in a simulation scenario.

[Resumen] En 1948, el trabajo de Shannon titulado ”A mathematical theory of communication” revolucionó por completo la manera de entender el problema de transmitir información de forma fiable. Shannon demostró que un sistema de comunicación es capaz de transmitir con probabilidad de error arbitrariamente baja siempre que la tasa de transmisión se mantenga por debajo de un cierto límite. Además, postuló que una separación entre la codificación de fuente y de canal es la estrategia óptima para alcanzar los límites teóricos. Estas ideas inspiraron el desarrollo de toda una teoría de la comunicación digital centrada en la construcción de esquemas de codificación cada vez más sofisticados. Esto provocó que, a partir de ese momento, la mayor parte de los sistemas de comunicación se diseñasen siguiendo unha aproximación digital y de acuerdo al principio de separación, mientras que otras alternativas fueron relegadas a un segundo plano. Sin embargo, en estos últimos años, los sistemas de comunicación basados en la optimización conjunta de la codificación de fuente y canal han despertado de nuevo el interés de los investigadores, especialmente en el caso de transmisión de señales analógicas. Esta estrategia –conocida en inglés como analog Joint Source Coding (JSCC)– también es capaz de aproximarse a los límites teóricos, mientras ofrece ciertas ventajas con respecto a los sistemas digitales convencionales como, por ejemplo, una alta tasa de transmisión, baja complejidad, mínimo retardo y capacidad del sistema para adaptarse a entornos variantes en tiempo sin necesidad de rediseñarlo por completo. De esta forma, estas atractivas propiedades hacen que la estrategia JSCC sea especialmente adecuada para aplicaciones en tiempo real con fuertes restricciones de complejidad y/o retardo así como para la transmisión de datos a alta velocidad a través de canales inalámbricos. Hasta ahora, la investigación en este área se ha centrado principalmente en la evaluación de diferentes sistemas JSCC analógicos diseñados para transmitir fuentes Gaussianas sobre canales AWGN. Sin embargo, el comportamiento de esta estrategia en entornos más realistas como, por ejemplo, su implementación práctica sobre canales inalámbricos reales, aún non se ha estudiado en detalle. El objetivo de esta tesis es determinar la viabilidad del esquema JSCC analógico en el contexto de las comunicaciones inalámbricas. Para llevar a cabo esta tarea, varios sistemas JSCC analógicos son específicamente diseñados para permitir la transmisión de símbolos continuos en amplitud y discretos en tiempo a través de canales inalámbricos, intentando preservar las propiedades descritas anteriormente para el caso de canales AWGN.

[Resumo] En 1948, o traballo de Shannon titulado ”A mathematical theory of communication” revolucionou por completo a forma de entender o problema de transmitir información de xeito fiable. Shannon demostrou que un sistema de comunicación é capaz de transmitir cunha probabilidade de erro arbitrariamente baixa sempre que a taxa de transmisión se manteña por debaixo dun certo límite. Ademais, probou que unha separación entre a codificación de fonte e de canle é a estratexia óptima para acadar os límites teóricos. Estas ideas inspiraron o desenrolo de toda unha teoría da comunicación dixital centrada na construción de esquemas de codificación cada vez máis sofisticados. Esto fixo que, dende ese momento, a maior parte dos sistemas de comunicación foran deseñados seguindo unha aproximación dixital e de acordo ao principio de separación, mentres que outras alternativas foron relegadas a un segundo plano. Sen embargo, nestos derradeiros anos, os sistemas de comunicación baseados nunha optimización conxunta da codificación de fonte e canle despertou de novo o interese dos investigadores, especialmente no caso da transmisión de sinais analóxicos. Esta estratexia – coñecida en inglés como analog Joint Source Coding (JSCC)– tamén é capaz de aproximar os límites teóricos mentres proporciona certas vantaxes con respecto aos sistemas dixitais convencionais como, por exemplo, unha alta taxa de transmisión, baixa complexidade, mínimo retardo e capacidade do sistema para adaptarse a entornos variantes en tempo sen necesidade de ter que rediseñalo por completo. Deste xeito, estas atractivas propiedades fan que a estratexia JSCC sexa especialmente axeitada para aplicacións en tempo real con fortes restricións de complexidade e/ou retardo así como para a transmisión de datos a alta velocidade a través de canles sen fíos. Ata o de agora, a investigación nesta área centrouse principalmente na avaliación de diferentes sistemas JSCC analóxicos deseñados para a transmisión de fontes Gaussianas sobre canles AWGN. Sen embargo, o comportamento desta estratexia en entornos máis realistas como, por exemplo, implementacións prácticas sobre canles reais sen fíos, aínda non se estudou en profundidade. O obxectivo desta tese é determinar a viabilidade do esquema JSCC analóxico no contexto das comunicacións sen fíos. Para levar a cabo esta tarefa, varios sistemas JSCC analóxicos son específicamente deseñados para permitir a transmisión de símbolos continuos en amplitude e discretos en tempo a través de canles sen fíos, intentando preservar na medida do posible as propiedades descritas anteriormente para o caso de canles AWGN. A aplicación da estratexia JSCC en canles sen fíos representa unha serie de importantes desafíos para o deseño destos sistemas analóxicos. Por unha banda, o sistema JSCC analóxico débese adaptar constantemente ás flutuacións do canle debido aos desvaecementos para conseguir que o seu rendemento se aproxime á solución de compromiso distorsión-custo. Afortunadamente, este proceso non supón redeseñar por completo o sistema xa que chega con actualizar os parámetros do codificador segundo as condicións reais do canle. Por outra banda, as comunicacións sen fíos sofren os efectos nocivos da dispersión do retardo causado pola propagación do multicamiño dos sinais transmitidos. Os actuais estándares de comunicación sen fíos soen empregar unha serie de técnicas de transmisión para combater estes efectos e explotar a ganancia de diversidade que proporciona o canle, como o uso de múltiples antenas tanto no transmisor como no receptor ou dun esquema de modulación ortogonal. A integración da estratexia JSCC e destas técnicas conleva cambios substanciais no esquema inicial –sobre todo no deseño da operación de decodificación– para preservar a baixa complexidade e retardo do modelo de comunicación resultante. Por último, a aplicación desta estratexia en entornos reais tamén conleva ter que afrontar algúns problemas adicionais na práctica que non se atopan nun escenario simulado.