Advanced Synchronization Techniques for OFDM Systems
Techniques de Synchronisation Avancées pour les Systèmes OFDM
Résumé
The Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) is a largely adopted multi-carrier modulation technique in recent broadband wireless communication standards for its ability to cope with severe channels. OFDM systems are however very sensitive to synchronization errors that destroy the orthogonality between sub-carriers resulting in an important performance degradation. This thesis takes an overall look at reduced-complexity data-aided synchronization techniques for OFDM systems, by trading between performance and computational load in possibly fast varying wireless transmission environments.
Exploiting a preamble with specific repetitive structure, we propose a robust Brute-Force (BF) single-stage synchronization technique, based on differential correlation, which provides high detection accuracy at the expense of a huge computational load. To overcome this disadvantage, we propose the Reduced-Complexity (RC) two-stage technique that splits the synchronization processing into a coarse and a fine stages. The first stage, based on a sliding correlation, determines a short uncertainty interval over which the second fine stage, based on differential correlation, is carried. The combined use of the sliding correlation, characterized by its low complexity, and the differential correlation which is much more complex, carried over a short interval length around the coarse estimate, results in an overall reduced-complexity approach. To ensure the relevance of both proposed BF and RC approaches, we evaluate them in the standards IEEE 802.11a/g in which the signal structure allows to directly apply the proposed approaches.
For more optimized performance, we study the design of the preamble training sub-sequence defined respectively in the time and frequency domains. The first issue gives an important insight on how the binary training sub-sequence (length and type) should be chosen in order to achieve a better trade-off between detection accuracy and complexity. The second issue concerns a further complexity reduction through replacing the differential correlation operations by simple sign changes, using quantified training sub-sequences obtained as inverse Fourier transform of binary sequences defined in the frequency domain.
Furthermore, based on the transmission of a Zadoff-Chu (ZC) sequence as temporal preamble two new synchronization Simply-Differential (SD) and Doubly-Differential (DD) approaches are proposed. Both of the SD and DD approaches are proved to allow accurate detection of the ZC sequence start. Based on the fact that the LTE standard provides dedicated ZC sequences for the primary synchronization, the proposed approaches are successfully adapted and applied to primary synchronization in the LTE standard, which includes symbol start detection and sector identifier search.
Finally, we propose a new synchronization scheme for 2x1 MISO-OFDM systems, which exploits the full spatial diversity provided by differential Alamouti Space-Time Block Coding (STBC) for non-coherent synchronization and thus avoids any channel estimation requirement.
La technique de modulation Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) est une technique de modulation multi-porteuse largement adoptée dans les récentes normes de communication sans fil à large bande pour sa capacité à faire face aux canaux sévères. Les systèmes OFDM sont cependant très sensibles aux erreurs de synchronisation qui détruisent l'orthogonalité entre sous-porteuses entraînant une dégradation importante des performances. Cette thèse étudie les techniques de synchronisation assistées par données à complexité réduite pour les systèmes OFDM dans des environnements de transmission sans fil pouvant varier rapidement.
En exploitant un préambule avec une structure répétitive, nous proposons une technique de synchronisation robuste Brute-Force (BF), basée sur la corrélation différentielle, qui offre une précision de détection élevée au détriment d'une énorme charge de calcul. Pour surmonter cet inconvénient, nous proposons la technique en deux étapes à complexité réduite (RC) qui divise le traitement de synchronisation en une étape grossière et une étape fine. La première étape, basée sur une corrélation glissante, détermine un court intervalle d'incertitude sur lequel la deuxième étape fine, basée sur une corrélation différentielle, est porté. L'utilisation combinée de la corrélation glissante, caractérisée par sa faible complexité, et de la corrélation différentielle beaucoup plus complexe, portée sur un intervalle court autour de l'estimation grossière, aboutit à une approche globale de complexité réduite. Pour garantir la pertinence des approches BF et RC proposées, nous les évaluons dans les normes IEEE 802.11a /g dans lesquelles la structure du signal permet d'appliquer directement les approches proposées.
Pour des performances plus optimisées, nous étudions la conception de la sous-séquence d'apprentissage du préambule définie respectivement dans les domaines temporel et fréquentiel. Le premier donne un aperçu important sur la façon dont la sous-séquence d'apprentissage binaire (longueur et type) doit être choisie afin de parvenir à un meilleur compromis entre précision de détection et complexité. Le deuxième concerne une réduction supplémentaire de la complexité en remplaçant les opérations de corrélation différentielle par de simples changements de signe, en utilisant des sous-séquences d'apprentissage quantifiées obtenues sous forme de transformée de Fourier inverse de séquences binaires définies dans le domaine fréquentiel.
De plus, sur la base de la transmission d'une séquence de Zadoff-Chu (ZC) comme préambule temporel, deux nouvelles approches de synchronisation Simplement différentielle (SD) et Doublement différentielle (DD) sont proposées. Il a été prouvé que les approches SD et DD permettent une détection précise du début de séquence ZC. Sur la base du fait que la norme LTE fournit des séquences ZC dédiées pour la synchronisation primaire, les approches proposées sont adaptées et appliquées avec succès à la synchronisation primaire dans la norme LTE, qui comprend la détection de début de symbole et la recherche d'identifiant de secteur.
Enfin, nous proposons un nouveau schéma de synchronisation pour les systèmes 2x1 MISO-OFDM, qui exploite toute la diversité spatiale fournie par le codage différentiel Alamouti Space-Time Block Coding (STBC) pour une synchronisation non cohérente et évite ainsi toute exigence d'estimation de canal.
Fichier principal
Advanced_Synchronization_TechniquesforOFDM_Systems.pdf (1.8 Mo)
Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)