Способ точной временной синхронизации приема OFDM-символа на основе свойства симметрии относительно центрального отсчета Российский патент 2024 года по МПК H04B7/208 H04W56/00 

Изобретение относится к области систем передачи информации по радиоканалу и может быть использовано при построении систем синхронизации радиолиний связи, работающих с OFDM (orthogonal frequency division multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) сигналами.

В приемнике очень важной является символьная синхронизация. Без нее невозможно правильно демодулировать и декодировать входную последовательность данных. Одной из проблем при многолучевом распространении OFDM-сигнала является межсимвольная интерференция (МСИ), которая приводит к резкому увеличению битовой ошибки на выходе демодулятора. Для борьбы с МСИ используют циклическое расширение (в настоящее время известное как циклический префикс (ЦП) [1]). Сам ЦП представляет собой циклическую копию части конца OFDM-символа в начало [2], поэтому в результате его добавления в спектре сигнала не появляется новых частотных составляющих. Длительность ЦП не должна быть меньше, чем длительность импульсной характеристики канала, и не должна быть достаточно большой, так как это приводит к потере в отношении сигнал/шум (ОСШ), а также снижению скорости передачи данных из-за того, что ЦП не несет полезной информации [3]. Обычно на практике длительность ЦП выбирают равной 1/4, 1/8, 1/9 от длительности символа [4]. Все алгоритмы временной синхронизации основаны на расчете решающей функции по различным участкам преамбулы во временной или частотной области [5, 6]. Для обнаружения преамбулы можно использовать следующие свойства преамбулы: наличие циклического префикса; симметричность относительно центрального отсчета; наличие нескольких одинаковых участков во временной области (псевдопериодичность) [7]. Существующие методы синхронизации можно разделить на две группы: первая предполагает анализ сигнала во временной области, а вторая - в частотной. Выбор того или иного метода основывается на обеспечении требуемой точности синхронизации и имеющихся ресурсов для ее выполнения. Наиболее широкое распространение получили дифференциальные и корреляционные методы сравнения повторяющихся частей сигнала во временной области, в частности сравнения циклического префикса и его копии в конце OFDM-символа или между двумя половинами символа синхронизации [8, 9, 10]. Корреляционные методы показывают лучшие результаты временной синхронизации, чем дифференциальные [11, 12]. Нерешенной до конца задачей является обеспечение узкого пика решающей функции временной синхронизации, в том числе в условиях низких отношениях сигнал/шум, обеспечивающего точное определение начала OFDM символа.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является, корреляционный метод временной синхронизации, который достаточно полно описан в статье [11], выбранный в качестве прототипа. На фиг. 1 представлен OFDM-сигнал, состоящий из трех символов [n-1, n, n+1], поиск временного положения ЦП осуществляется при помощи двух окон слежения А1 и А2 длительностью N_g отсчетов (равное длине ЦП), расположенных на расстоянии N_FFT (информационная часть OFDM-символа) друг от друга. Суть метода заключается в том, что корреляция будет максимальна, когда окно слежения А1 попадает на циклический префикс, а А2 - на его копию. Таким образом, начало полезной части символа может быть найдено по формуле:

где

В дальнейшем такой корреляционный оцениватель будем называть ML-оцениватель (Maximum Likelihood - ML) [3].

Необходимо отметить, что корреляция сигнала у[k] выполняется с комплексно-сопряженным числом у^*[k+N_FFT], что обеспечивает расположение точек результатов перемножения N_g отсчетов в одном векторном направлении на плоскости (фиг. 2). Предполагается, что при прохождении канала символы изменяются одинаково за исключением фазового сдвига ϕ вследствие наличия дробного сдвига по частоте ε_ƒ [13]. Таким образом, при отсутствии дробного сдвига по частоте ε_ƒ=0, фазовый сдвиг будет равен нулю ϕ=0. Смещение частоты несущей будет определяется разностью фаз в точке предполагаемого начала символа OFDM следующим образом:

Таким образом, расположение точек результатов перемножения N_g отсчетов при наличии дробного сдвига по частоте ε_ƒ≠0 будет также в одном векторном направлении, где фазовый сдвиг будет также не равен нулю ϕ≠0 (фиг. 3).

Наиболее существенным недостатком данного метода является то, что вершина корреляционной функции не является достаточно острой и в условиях помех может смещаться на соседние отсчеты, что приведет к нарушению временной синхронизации приема OFDM-символа (фиг. 4).

Техническим результатом изобретения является повышение точности временной синхронизации приема OFDM-символа за счет реализации корреляционной функции с использованием симметричных относительно центрального отсчета комплексно-сопряженных половин эффективной части OFDM-символа, имеющей вид дельта функции.

Актуальность повышения точности временной синхронизации обусловлена необходимостью достоверного определения начала OFDM символа для его дальнейшей корректной демодуляции и декодирования в условиях помех.

Куполообразная форма корреляционной функции (1) образуется за счет постепенного увеличения и уменьшения количества сравниваемых идентичных отсчетов. Для обеспечения точной временной синхронизации необходимо, чтобы корреляционная функция имела форму дельта импульса:

Формирование OFDM сигнала выполняется с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ), согласно выражению:

где N_FFT - длина ДПФ; d_i - комплексные символы информационного сигнала. На фиг. 5 представлен OFDM-символ в виде реальной и мнимой компоненты, из которой видно, что в сигнале присутствует симметричность относительно центрального отсчета, где второй отсчет повторяет последний, третий отсчет повторяет предпоследний и т.д. Необходимо отметить, что симметричность половин OFDM-символа носит характер комплексно-сопряженных чисел, а именно первая половина мнимой части OFDM сигнала Im(2…N_FFT/2) симметрична второй половине, представленной в инверсном виде Таким образом, представляется возможным реализация временной синхронизации способом сравнения двух идентичных половин эффективной части OFDM-символа. Свойство симметрии относительно центрального отсчета OFDM-символа будет обеспечивать единственный пик корреляционной функции в момент совпадения половин, а не иметь куполообразную форму, как при использовании ЦП.

Способ точной временной синхронизации приема OFDM-символа на основе свойства симметрии относительно центрального отсчета, работает следующим образом. На фиг. 6 представлена схема расположения временных окон слежения А1 и А2 длительностью N_FFT/2-1 отсчетов, расположенных на расстоянии одного отсчета друг от друга, так как первый и центральный отсчеты эффективной части OFDM-символа не имеют пары для симметрии. Таким образом, выражение корреляционной функции симметричных комплексно-сопряженных половин будет иметь вид:

где

Необходимо отметить, что второй множитель в выражении (5) без знака комплексного сопряжения (*), так как вторая половина уже является комплексно-сопряженной по отношению к первой половине.

Рассмотрим расположение точек результатов корреляции, вычисленных согласно выражению (5), на плоскости при наличии дробного сдвига по частоте не равного нулю ε_ƒ≠0. Дробный сдвиг по частоте равен отношению остаточного сдвига несущей частоты ƒ_ост к расстоянию между подканалами Δƒ ε_ƒ=ƒ_ост/Δƒ [13]. Расстояние между подканалами обратно пропорционально эффективной части OFDM-символа Δƒ=1/T_oƒdm. Таким образом, остаточный сдвиг несущей частоты за время эффективной части OFDM-символа длинной N_FFT отсчетов составит ƒ_ост=ε_ƒ/T_oƒdm.

При перемножении векторов модули векторов перемножаются, а фазы складываются, поэтому рассмотрим фазы точек, полученных в результате корреляции, согласно выражению (5). Прирост фазы второго отсчета от остаточного сдвиг несущей частоты ƒ_ост составит ϕ₂=ƒ_ост/N_FFT, симметричного N_FFT отсчета составит , а сумма фаз будет равняться Сумма фаз третьего и предпоследнего отсчета N_FFT-1 будет равняться Для остальных отсчетов рассуждения аналогичные, результаты которых показывают что все точки корреляционной функции (5) будут лежать в одном направлении, как на фиг. 3, в момент попадания окон слежения в эффективную часть OFDM-символа. Сдвиг окна слежения влево (вправо) более чем на один отсчет приведет к полному распаду суммарного вектора, таким образом корреляционная функция (5) по виду будет близка к дельта функции. Корреляционная функция (5) последовательности из трех OFDM-символов (N_FFT=128, N_g=N_FFT/4) представлена на фиг. 7, где четко видно три дельта импульса, номера отсчетов которых соответствуют началу OFDM-символа. Три более коротких единичных дельта импульса, расположенных левее на расстоянии N_FFT/2 показывают начало ЦП, так как ЦП будет также симметричен началу эффективной части OFDM символа в комплексно-сопряженном виде, а амплитуда в два раза меньше основного дельта импульса, так как длительность ЦП в два раза меньше длительности половины эффективной части OFDM-символа.

На фиг. 8 представлена среднеквадратическая (СКО) оценка смещения времени в зависимости от ОСШ для корреляционной функции (1) при длине ЦП=1/4 N_FFT и для предлагаемой корреляционной функции (5), из которой видно, явное преимущество предлагаемого оцениватель. Во-первых, предлагаемый оцениватель обеспечивает точное определение времени начала OFDM-символа при ОСШ≥1 дБ, что обеспечивает выигрыш порядка 2-5 дБ по сравнению с ML-оценивателем, у которого СКО оценки смещения времени составит в пределах одного отсчета. Во-вторых, вероятность неправильной оценки смещения времени будет близка к нулю, что представлено на фиг. 9. При ОСШ<1 дБ СКО оценки смещения времени резко возрастает, так как под действие шума максимум корреляционной функции (5) может попасть на любой отсчет, при этом вероятность этого события возрастает плавно, фиг. 9, и будет ниже, чем у ML-оценивателя.

Таким образом, способ точной временной синхронизации приема OFDM-символа на основе свойства симметрии относительно центрального отсчета позволяет точно определять начало OFDM-символа во временной области за счет реализации корреляционной функции с использованием симметричных относительно центрального отсчета комплексно-сопряженных половин эффективной части OFDM-символа, при этом возможно обеспечить точную временную синхронизацию при отношениях сигнал/шум ≥-2 дБ.

Литература

1. Peled A. and Ruiz A. Frequency domain data transmission using reduced computational complexity algorithms // In Proc. IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing. Vol. 5. April 1980. P. 964-967.

2. Системы связи с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM): учеб. пособ. для вузов / Б.И. Шахтарин [и др.]. М.: Горячая линия - Телеком, 2014. 172 с.

3. Технология OFDM. Учебное пособие для вузов / М.Г. Бакулин [и др.]. - Горячая линия - Телеком, 2019. - 352 с., ил.

4. ETSI ES 201 980 V3.1.1 (2009-08) Digital Radio Mondiale (DRM) [Электронный ре-сурс]. URL: http://www.drm.org/wp-content/uploads/2012110/DRM-System-Specification.pdf (дата обращения: 20.11.2017).

5. Калашников, К.С., Шахтарин, Б.И. Синхронизация OFDM-сигналов во временной и частотной областях / К.С. Калашников, Б.И. Шахтарин // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение». - 2011. - №1. - С. 18-27.

6. Fusco Т. Synchronization Techniques For OFDM Systems: Ph. D. thesis, University of Naples Federico II, 2005. 119 p.

7. Рашич A.B. Сети беспроводного доступа WiMax / A.B. Рашич. - СПб.: Издательство политехнического университета, 2011 - 180 с.

8. Schmidl Т., Сох D. Robust frequency and timing synchronization for OFDM. IEEE Trans. Commun, 1997, vol. 45, no. 12, pp. 1613-1621.

9. Патент США №5,732,113 от 24.03.1998 авторов: Schmidl Т.М., Сох D.C., Timing and Frequency Synchronization of OFDM signals.

10. Van de Beek J-J, Sandell M, Börjesson PO: ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems. IEEE Transactions on Signal Processing 1997, 45(7): 1800-1805.10.1109/78.599949.

11. Батырев И.А. Методы синхронизации OFDM-сигнала по циклическому префиксу // Техника радиосвязи. 2018. Вып. 1(36). С. 90-102.

12. Батырев И.А. Методы синхронизации OFDM-сигнала тренировочному символу // Техника радиосвязи. 2017. Вып. 3(34). С. 41-53.

13. Батырев И.А. Оценка влияния сдвига несущей частоты на качество принимаемого OFDM-сигнала // Ом. науч. вестн. 2015. №3 (123). С. 259-262.

Изобретение относится к области систем передачи информации по радиоканалу и может быть использовано при построении систем синхронизации радиолиний связи, работающих с OFDM (orthogonal frequency division multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) сигналами. Техническим результатом изобретения является повышение точности временной синхронизации приема OFDM-символа. Указанный технический результат достигается за счет реализации корреляционной функции с использованием симметричных относительно центрального отсчета комплексно-сопряженных половин эффективной части OFDM-символа, имеющей вид дельта функции. 9 ил.

Способ точной временной синхронизации приема OFDM-символа на основе свойства симметрии относительно центрального отсчета, согласно которому определяют временное положение начала OFDM-символа посредством поиска максимума корреляционной функции R(δ), отличающийся тем, что:

формируют OFDM-сигнал с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ),

в котором OFDM-символ представлен в виде реальной и мнимой компоненты, причем половины OFDM-символа являются симметричными относительно центрального отчета, при этом центральный и первый отсчеты не имеют пары для симметрии;

вычисляют корреляционную функцию R(δ) двух симметричных относительно центрального отсчета половин эффективной части OFDM-символа, представленных в комплексной форме, исключая центральный и первый отсчеты, где вторая половина уже имеет комплексно-сопряженный вид относительно первой половины, причем корреляционная функция R(δ) имеет вид дельта-функции,

вычисляют значение поиска максимума корреляционной функции симметричных комплексно-сопряженных половин:

номер отсчета, на который попадает максимум корреляционной функции, выбирают как соответствующий началу OFDM-символа.