OFDM. Prof. Carlo S. Regazzoni. Department of Biophysical and Electronic Engineering, University of Genoa, Italy A.A

Transcript

1 INTRODUZIONE ALLE TECNICHE DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA IN SISTEMI OFDM Luca Bixio Prof. Carlo S. Regazzoni Department of Biophysical and Electronic Engineering, University of Genoa, Italy A.A Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

2 INDICE 1 CENNI ALLA TECNICA OFDM 2 NECESSITÀ DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA 3 STRATEGIE DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA 4 ALGORITMI DI ACQUISIZIONE 5 ALGORITMI DI TRACKING Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

3 Cenni alla tecnica OFDM INDICE 1 CENNI ALLA TECNICA OFDM 2 NECESSITÀ DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA 3 STRATEGIE DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA 4 ALGORITMI DI ACQUISIZIONE 5 ALGORITMI DI TRACKING Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

4 Cenni alla tecnica OFDM VANTAGGI DELL OFDM L OFDM è tra le tecniche maggiormente usate nei sistemi di comunicazione wireless del giorno d oggi. Esempi di applicazione sono: ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) WLAN (Wireless Local Area Network) DVB (Digital Video Broadcasting), DAB (Digital Audio Broadcasting) WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) I principali vantaggi derivanti dall utilizzo della tecnica OFDM sono: Alta efficienza spettrale Bassa complessità di implementazione (IFFT e FFT) Buone prestazioni in canali selettivi Flessibilità Resistente al multipath Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

5 Cenni alla tecnica OFDM SCHEMA A BLOCCHI DELL OFDM Trasmettitore Ricevitore Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

6 Cenni alla tecnica OFDM IL PREFISSO CICLICO Inserimento del prefisso ciclico (CP) per contrastare gli effetti negativi dovuti al multipath Inter Symbol Interference (ISI) Introducendo in testa al simbolo OFDM una copia degli ultimi campioni del simbolo stesso Si elimina l ISI Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

7 Necessità di Sincronizzazione tempo-frequenza INDICE 1 CENNI ALLA TECNICA OFDM 2 NECESSITÀ DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA 3 STRATEGIE DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA 4 ALGORITMI DI ACQUISIZIONE 5 ALGORITMI DI TRACKING Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

8 Necessità di Sincronizzazione tempo-frequenza OFFSET PRESENTI SUL SEGNALE RICEVUTO Esistono tre tipi di offset sul segnale ricevuto: Offset nel tempo Offset in frequenza Offset di campionamento Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

9 Necessità di Sincronizzazione tempo-frequenza OFFSET NEL TEMPO Non conoscendo l istante di arrivo del segnale, non si ha la possibilità di posizionare correttamente la finestra su cui effettuare la FFT L istante di arrivo del segnale dipende dal tempo di volo, in generale, non noto La presenza di un errore nel timing provoca: Attenuazione sul segnale ricevuto Shift di fase Inter-Carrier Interference (ICI) ISI Necessità di stimare l istante di arrivo del segnale Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

10 Necessità di Sincronizzazione tempo-frequenza OFFSET IN FREQUENZA Sul segnale ricevuto è presente un Carrier Frequency Offset dovuto a: Disallineamento tra gli oscillatori locali (OL) in trasmissione ed in ricezione Effetto Doppler CFO Doppler = fc v c La presenza di un offset in frequenza sul segnale ricevuto provoca: Attenuazione sul segnale ricevuto Shift di fase ICI Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

11 Necessità di Sincronizzazione tempo-frequenza ESEMPIO: OFFSET IN FREQUENZA Offset dovuto al disallineamento tra gli OL: disallineamento di y = 2 [ppm] frequenza portante f c = 1 [GHz] CFO OL = f c y 10 6 = = 2000 Offset dovuto al movimento degli apparati: velocità tra tx e rx v = 70 [m/s] frequenza portante f c = 1 [GHz] CFO Doppler = fc v c = = 234 [Hz] Offset in frequenza totale: CFO tot = CFO OL + CFO Doppler = = 2234 [Hz] Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

12 Necessità di Sincronizzazione tempo-frequenza PEGGIORAMENTO DEL SNR IN PRESENZA DI OFFSET IN FREQUENZA Peggioramento del SNR dovuto alla presenza di un offset in ferequenza Necessità di stimare l offset in frequenza Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

13 Necessità di Sincronizzazione tempo-frequenza OFFSET DI CAMPIONAMENTO L offset di campionamento (Sampling Clock Offset - SCO) è dovuto al disallineamento tra la frequenza di campionamento usata in trasmissione e la frequenza di campionamento usata in ricezione La presenza di un offset di campionamento provoca: ISI Shift di fase La presenza di un SCO provoca nella pratica: timing drift: all interno della finestra di osservazione dell l-esimo simbolo OFDM sono presenti anche campioni relativi all (l 1)-esimo simbolo OFDM rotazione dei simboli della costellazione Necessità di stimare l offset di campionamento Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

14 Necessità di Sincronizzazione tempo-frequenza EFFETTO DEGLI OFFSET - CONCLUSIONI Concludendo: Fenomeno Causa Effetti Offset nel tempo istante di arrivo non noto attenuazione shift di fase ISI ICI Offset in frequenza disallineamneto tra OL in tx e rx attenuazione effetto Doppler shift di fase ICI Offset di campionamento disallineamento tra f s in tx e rx timing drift shift di fase Questi effetti se non opportunamente contrastati provocano un degrado delle prestazioni facendo aumentare la Bit Error Rate (BER) Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

15 Strategie di Sincronizzazione tempo-frequenza INDICE 1 CENNI ALLA TECNICA OFDM 2 NECESSITÀ DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA 3 STRATEGIE DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA 4 ALGORITMI DI ACQUISIZIONE 5 ALGORITMI DI TRACKING Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

16 Strategie di Sincronizzazione tempo-frequenza OBIETTIVO DELLA SINCRONIZZAZIONE L obiettivo della sincronizzazione tempo-frequenza in sistemi OFDM è stimare: L istante di arrivo del segnale L offset in frequenza L offset di campionamento Le stime vengono utilizzate per compensare gli effetti negativi degli offset sul segnale ricevuto La sincronizzazione avviene in due step: Acquisizione Tracking Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

17 Strategie di Sincronizzazione tempo-frequenza ACQUISIZIONE È il primo step della sincronizzazione e viene eseguito prima della FFT in ricezione Ha il compito di stimare: L istante di arrivo del segnale L offset in frequenza Gli algoritmi di sincronizzazione si dividono in due categorie: Algoritmi Data-Aided (DA): si basano sull invio di simboli di training, detti preamboli, con struttre particolari e tali da facilitare la stima dei parametri di interesse Algoritmi Not-Data-Aided (NDA): si basano sull osservazione del segnale ricevuto per effettuare le stime dei parametri di interesse A valle della procedura di acquisizione saranno presenti degli offset residui che necessitano di essere compensati Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

18 Strategie di Sincronizzazione tempo-frequenza TRACKING È il secondo step della sincronizzazione e viene eseguito dopo la FFT in ricezione Ha il compito di stimare: L offset di campionamento L offset nel tempo residuo L offset in frequenza residuo Gli algoritmi di tracking si basano sull osservazione delle portanti pilota presenti nel segnale per stimare il canale Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

19 Algoritmi di Acquisizione INDICE 1 CENNI ALLA TECNICA OFDM 2 NECESSITÀ DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA 3 STRATEGIE DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA 4 ALGORITMI DI ACQUISIZIONE 5 ALGORITMI DI TRACKING Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

20 Algoritmi di Acquisizione ACQUISIZIONE DA Gli algoritmi di acquisizione DA si basano sulla presenza, in testa allo stream di simboli OFDM e ad intervalli regolari, di un simbolo di trainig, detto preambolo Il preambolo ha una struttura che si ripete nel tempo Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

21 Algoritmi di Acquisizione ACQUISIZIONE DA Èè possibile sfruttare le parti uguali all interno del simbolo per stimare i parametri di interesse Si può definire una metrica basata su auto-correlazione M(d) = P N 2 1 m=0 r (d + m)r(d + m + N 2 ) Stima dell istante di arrivo ˆd = arg max M(d) Stima dell offset in frequenza ˆε = phase[m(ˆd)], T tempo di simbolo utile πt Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

22 Algoritmi di Acquisizione ACQUISIZIONE DA Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

23 Algoritmi di Acquisizione ACQUISIZIONE DA Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

24 Algoritmi di Acquisizione ACQUISIZIONE NDA Gli algoritmi di acquisizione NDA sfruttano la presenza, all interno dello stream ricevuto, di parti che si ripetono periodicamente: i campioni relativi al CP La presenza di campioni che si ripetono ad intervalli fissati può essere sfruttata per stimare i parametri di interesse Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

25 Algoritmi di Acquisizione ACQUISIZIONE NDA Anche in questo caso è possibile definire una metrica basata su autocorrelazione M(d) = P N g 1 m=0 r (d + m)r(d + m + N) stima dell istante di arrivo ˆd = arg max M(d) stima dell offset in frequenza ˆε = phase[m(ˆd)] 2π Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

26 Algoritmi di Acquisizione ACQUISIZIONE NDA Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

27 Algoritmi di Acquisizione DA VS NDA DA vs NDA Proprietà DA NDA Range di aggancio maggiore di f /2 max f /2 Precisione + Onere + Overhead + Frequenza stima + f è la spaziatura tra le sottoportanti e varia a seconda dell applicazione Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

28 Algoritmi di Tracking INDICE 1 CENNI ALLA TECNICA OFDM 2 NECESSITÀ DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA 3 STRATEGIE DI SINCRONIZZAZIONE TEMPO-FREQUENZA 4 ALGORITMI DI ACQUISIZIONE 5 ALGORITMI DI TRACKING Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

29 Algoritmi di Tracking TRACKING BASATO SU PORTANTI PILOTA La presenza di un SCO provoca una rotazione di fase sui campioni del simbolo OFDM La fase crese linearmente al crescere dell indice della portante Rappresentando la fase in funzione dell indice della portante si ha che: Il valore della fase quando k = 0 è proporzionale all offset in frequenza residuo Il valore della pendenza della retta è proporzionale all offset di campionamento Conoscendo il valore delle portanti pilota e la loro posizione (il valore di k) all interno del simbolo è possibile stimare le due quantità di interesse Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30

30 Algoritmi di Tracking CONTATTI Luca Bixio Telefono: Bixio (DIBE, University of Genoa) Sincronizzazione OFDM A.A / 30