Statistical characterization of correlation-based time/frequency synchronizers for OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been widely adopted as a modulation format for reliable digital communication over multipath fading channels, e.g. IEEE 802.11g WiFi networks, as well as broadband wireline channels, e.g. DSL modems. However, its robustness to channel impairments comes at the cost of increased sensitivity to symbol timing and carrier frequency offset errors, and thus requires more complex synchronization methods than conventional single-carrier modulation formats. In this thesis, a class of synchronization methods based upon the intrinsic autocorrelation structure of the OFDM signal is studied from a statistical perspective. In particular, the reasons for the existence of irreducible time and frequency offset estimation errors in the limit of increasing signal-to-noise ratio (SNR) are investigated for correlator-based synchronizers for the non-fading channel case and several fading channel models. It is demonstrated that the primary source of irreducible synchronization errors at high SNR is the natural random distribution of signal energy in the cyclic prefix of the OFDM symbol. Comparisons of the distribution of correlator output magnitude between the non-fading and fading channel cases demonstrates that fading skews the distribution with respect to the non-fading case. A potential mechanism for reducing the effect of innate signal energy variability, correlator output windowed averaging, is studied from the perspective of its influence on the distribution of interpeak intervals in the temporal correlator output signal. While improved performance is realized through averaging for the non-fading channel case, this technique is not as effective for fading channels. In either instance, the windowed averaging method increases the latency of the synchronization process and thus introduces delay in the overall demodulation process

Measurement, Modeling, and OFDM Synchronization for the Wideband Mobile-to-Mobile Channel

Wideband measurements of the mobile-to-mobile channel, especially of the harshest channels, are necessary for proper design and certification testing of mobile-to-mobile communications systems. A complete measurement implies that the Doppler and delay characteristics are measured jointly. However, such measurements have not previously been published. The main objective of the proposed research is to develop channel models for specific scenarios from data obtained in a wideband mobile-to-mobile measurement campaign in the 5.9 GHz frequency band. For this purpose we developed a channel sounding system including a novel combined waveform. In order to quantify and qualify either the recorded channel or the proposed generated channel, we developed a simulation test-bed that includes all the characteristics of the proposed digital short range communications (DSRC) standard. The resulting channel models needed to comply with the specifications required by hardware channel emulators or software channel simulators. From the obtained models, we selected one to be included in the IEEE 802.11p standard certification test. To further aid in the development of software radio based receivers, we also developed an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) synchronization algorithm to analyze and compensate synchronization errors produced by inaccessible system clocks.Ph.D.Committee Chair: Ingram, Mary Ann; Committee Member: Lanterman, Aaron; Committee Member: Li, Ye; Committee Member: Pratt, Thomas G.; Committee Member: Rogers, Peter H

Design and implementation of a downlink MC-CDMA receiver

Cette thèse présente une étude d'un système complet de transmission en liaison descendante utilisant la technologie multi-porteuse avec l'accès multiple par division de code (Multi-Carrier Code Division Multiple Access, MC-CDMA). L'étude inclut la synchronisation et l'estimation du canal pour un système MC-CDMA en liaison descendante ainsi que l'implémentation sur puce FPGA d'un récepteur MC-CDMA en liaison descendante en bande de base. Le MC-CDMA est une combinaison de la technique de multiplexage par fréquence orthogonale (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) et de l'accès multiple par répartition de code (CDMA), et ce dans le but d'intégrer les deux technologies. Le système MC-CDMA est conçu pour fonctionner à l'intérieur de la contrainte d'une bande de fréquence de 5 MHz pour les modèles de canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire tel que décrit par le "Third Genaration Partnership Project" (3GPP). La composante OFDM du système MC-CDMA a été simulée en utilisant le logiciel MATLAB dans le but d'obtenir des paramètres de base. Des codes orthogonaux à facteur d'étalement variable (OVSF) de longueur 8 ont été choisis comme codes d'étalement pour notre système MC-CDMA. Ceci permet de supporter des taux de transmission maximum jusquà 20.6 Mbps et 22.875 Mbps (données non codées, pleine charge de 8 utilisateurs) pour les canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire, respectivement. Une étude analytique des expressions de taux d'erreur binaire pour le MC-CDMA dans un canal multivoies de Rayleigh a été réalisée dans le but d'évaluer rapidement et de façon précise les performances. Des techniques d'estimation de canal basées sur les décisions antérieures ont été étudiées afin d'améliorer encore plus les performances de taux d'erreur binaire du système MC-CDMA en liaison descendante. L'estimateur de canal basé sur les décisions antérieures et utilisant le critère de l'erreur quadratique minimale linéaire avec une matrice' de corrélation du canal de taille 64 x 64 a été choisi comme étant un bon compromis entre la performance et la complexité pour une implementation sur puce FPGA. Une nouvelle séquence d'apprentissage a été conçue pour le récepteur dans la configuration intérieur/extérieur pédestre dans le but d'estimer de façon grossière le temps de synchronisation et le décalage fréquentiel fractionnaire de la porteuse dans le domaine du temps. Les estimations fines du temps de synchronisation et du décalage fréquentiel de la porteuse ont été effectués dans le domaine des fréquences à l'aide de sous-porteuses pilotes. Un récepteur en liaison descendante MC-CDMA complet pour le canal intérieur /extérieur pédestre avec les synchronisations en temps et en fréquence en boucle fermée a été simulé avant de procéder à l'implémentation matérielle. Le récepteur en liaison descendante en bande de base pour le canal intérieur/extérieur pédestre a été implémenté sur un système de développement fabriqué par la compagnie Nallatech et utilisant le circuit XtremeDSP de Xilinx. Un transmetteur compatible avec le système de réception a également été réalisé. Des tests fonctionnels du récepteur ont été effectués dans un environnement sans fil statique de laboratoire. Un environnement de test plus dynamique, incluant la mobilité du transmetteur, du récepteur ou des éléments dispersifs, aurait été souhaitable, mais n'a pu être réalisé étant donné les difficultés logistiques inhérentes. Les taux d'erreur binaire mesurés avec différents nombres d'usagers actifs et différentes modulations sont proches des simulations sur ordinateurs pour un canal avec bruit blanc gaussien additif

Wavelet-based multi-carrier code division multiple access systems

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Timing and Carrier Synchronization in Wireless Communication Systems: A Survey and Classification of Research in the Last 5 Years

Timing and carrier synchronization is a fundamental requirement for any wireless communication system to work properly. Timing synchronization is the process by which a receiver node determines the correct instants of time at which to sample the incoming signal. Carrier synchronization is the process by which a receiver adapts the frequency and phase of its local carrier oscillator with those of the received signal. In this paper, we survey the literature over the last 5 years (2010–2014) and present a comprehensive literature review and classification of the recent research progress in achieving timing and carrier synchronization in single-input single-output (SISO), multiple-input multiple-output (MIMO), cooperative relaying, and multiuser/multicell interference networks. Considering both single-carrier and multi-carrier communication systems, we survey and categorize the timing and carrier synchronization techniques proposed for the different communication systems focusing on the system model assumptions for synchronization, the synchronization challenges, and the state-of-the-art synchronization solutions and their limitations. Finally, we envision some future research directions