A Study on Improved Synchronization Receiver Design for MIMO-OFDM Systems : MIMO-OFDM 기반의 통신시스템을 위한 향상된 동기화 수신기 설계에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has found many applications in mobile wireless digital communication systems, such as wireless local area network (WLAN) and digital radio mondiale (DRM). Because of its outstanding characteristics, it enables high data rate transmissions over frequency selective fading channels without complex equalization filters. OFDM with guard interval schemes also facilitates the design of a single frequency network (SFN) in mobile digital broadcasting systems.


Multiple input multiple output (MIMO) systems provide multiple diversities for independent transmission channels. Combining OFDM with the MIMO technology is an effective solution to promise a significant increase in the practically achievable throughput over wireless media. The eployment of multiple antennas at an OFDM transceiver can be exploited to improve reliability. Cyclic delay diversity (CDD) is a low-complexity transmit diversity technique for OFDM-based wireless communication systems, which transforms a multiple-input channel into an identical single-input channel with a large delay spread.


However, in order to take fully benefit of the potentials of
MIMO-OFDM systems, accurate estimation and compensation of timing and frequency offset is very crucial because the disadvantages of OFDM are inherent to MIMO-OFDM. Time offset will lead to the inter-symbol interference (ISI) and frequency offset will destroy the inter-carrier orthogonality, which can cause inter-carrier interference (ICI). Therefore, accurate synchronization procedures of time and frequency are very important to fulfil good performance of the OFDM-based wireless system. Synchronization of an OFDM system mainly includes the timing synchronization, carrier frequency synchronization and sampling clock synchronization. After coarse synchronization, residual symbol timing offset (STO), residual carrier frequency offset (CFO) and sampling frequency offset (SFO) may remain because of the insufficient accuracy during the coarse estimation. Since small CFO induces large phase rotations even for short packets, fine frequency tracking is thus a critical component
of OFDM receivers. Furthermore, these problems become worse in OFDM systems with CDD scheme, since the CDD-OFDM systems have a characteristic which increases the frequency selectivity in consequence of the channel transfer function (CTF) at the receiver.

In this dissertation, various techniques to enhance synchronization performances in OFDM-based wireless communication systems with MIMO antennas are investigated. First, an improved residual STO estimation scheme for an OFDM-based DRM system with CDD antenna is proposed. By adjusting the amount of cyclic delay of each antenna suitably, the proposed residual STO estimation scheme can reduce the effect of frequency selective fading. Second, a joint residual CFO and SFO estimation for OFDM-based DRM system with CDD antenna is proposed. To alleviate the performance degradation by frequency selectivity of CTF via adoption of CDD antenna, the proposed joint estimator is designed to maximize the power of CTF by suitably choosing the amount of cyclic delay and a pilot pattern. Finally, a robust residual CFO tracking scheme for an OFDM-based WLAN system with MIMO antenna is suggested. By employing block-by-block
estimation, the proposed CFO tracking scheme extends the estimation range with improved estimation performance. All of the proposed schemes are compared with conventional receivers. Then simulation results demonstrate that the proposed synchronization schemes outperform the conventional systems without extra equipments.

keywords : OFDM, MIMO diversity, CDD, synchronization, frequency offset, timing offset

국문 초록 (Abstract)

국문초록

MIMO-OFDM 기반의 통신시스템을 위한
향상된 동기화 수신기 설계에 관한 연구

세종대학교 대학원
컴퓨터 공학과
신 원재


최근 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 기반의 전송방식은 다중경로 페이딩에 의한 채널의 심각한 주파수 선택적 특성을 단일 탭 등화기를 사용하여 간단히 보상함으로써 높은 전송률의 송수신이 가능한 이유로 많은 무선 디지털 통신 시스템의 변조 방식으로 사용되고 있다. 또한 가드인터벌 기술을 적용하여 디지털 방송 시스템에서 단일 주파수 네트워크 구축이 가능하다는 장점을 가진다. 이러한 OFDM 변조 방식은 DRM (digital radio mondiale) 등과 같은 다양한 디지털 방송 시스템과 IEEE 802.11n 과 같은 무선랜 시스템 등의 차세대 무선 통신 시스템에서 사용되고 있다.
통신 신뢰성을 높이기 위한 또 다른 방식으로는 MIMO (multiple input multiple output) 다비어시티 기술이 있으며, 송신단 뿐만 아니라 수신단에서도 다중 안테나를 적용하여 각각의 독립된 전송 채널마다 다중 다이버시티를 제공할 수 있는 장점이 있다. MIMO 기술이 결합된 OFDM 전송방식은 다양한 멀티미디어 데이터 전송의 고속의 데이터 통신과 더불어 QoS (Quality-of-Service)의 수준을 향상 시킬 수 있다. CDD (cyclic delay diversity) 기법은 송/수신단에서 동시에 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 MIMO 기법의 한 종류로써, 다른 다이버시티 기법들에 비해 비교적 낮은 복잡도의 구현 비용과 더불어 해당 시스템의 표준을 변형하지 않고 바로 적용하여 다이버시티 이득을 획득 할 수 있는 큰 장점을 가지고 있다. CDD를 통하여 얻게 되는 다이버시티 이득은 채널의 주파수 선택적인 특성으로 나타나게 되는데, 이는 시간 및 주파수 동기 오차에 민감한 OFDM 시스템에서 채널 등화 및 주파수 동기화 같은 FFT 이후의 신호 검출 과정에 추가적인 문제를 발생시키는 단점이 있다.
본 논문에서는 MIMO 다이버시티 기법이 적용된 OFDM 시스템을 위한 수신단의 동기화 기법을 제안한다. 첫째로 CDD-OFDM 기반의 시스템에서 향상된 잔여 STO (symbol timing offset) 추정 기법을 제안한다. 제안된 잔여 STO 추정기법은 각각의 CDD 안테나의 순환 지연 값을 알맞게 조정함으로써, 채널의 주파수 선택적 특성으로 인한 추정 성능 하락을 감소 시킬 수 있다. 또한 CDD-OFDM 기반의 시스템에서 CFO (carrier frequency offset) 과 SFO (sampling frequency offset) 동시 추정 기법을 제안한다. 제안된 주파수 동시 추정기법은 채널의 파워를 최대화 시키는 파일럿과 순환 지연을 선택하는 기법을 기반으로 채널의 주파수 선택적 특성에 강건한 특징을 갖는다. 마지막으로 MIMO-OFDM 기반의 무선랜 시스템에서 CFO 추정 기법을 제안한다. 제안된 알고리즘은 블록 단위 추정 알고리즘을 적용하여 기존의 추정 기법보다 더 넓은 추정 범위와 높은 성능을 갖는다. 성능 검증을 위해 제안된 기법의 시뮬레이션을 실행하였으며, 제안된 주파수 추정 기법들의 정확한 성능 평가를 위해 이론적인 수식 분석을 통한 MSE (mean square error) 를 도출하여 컴퓨터 시뮬레이션과 비교해 얼마나 정확한지 확인할 수 있다. 시뮬레이션과 이론적인 수식 분석을 통해, 제안된 기법들은 특정 시스템의 표준 및 채널 환경과 상관없이 기존의 동기화 수신에 비해 향상된 성능을 보임을 검증할 수 있다.


주요어 : OFDM, MIMO 다이버시티, CDD, 동기화, 주파수 동기 오차, 시간 동기 오차

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 2 Overview of the OFDM Based Systems with MIMO Antenna 4
• 2.1 Principles of OFDM 4
• 2.2 Principles of Cyclic Delay Diversity 11
• 2.3 An overview of DRM System 14
• 2.3.1 DRM System Features 14
• 2.3.2 DRM+ System Transceiver Structure 18
• 3 Timing Synchronization Receiver Design for CDD-OFDM system 22
• 3.1 Signal Model 23
• 3.2 Proposed Residual STO Estimation Scheme 24
• 3.2.1 Cyclic Delay Selection 25
• 3.2.2 Residual STO Estimation by Pilot Selection 27
• 3.3 Simulation Results and Discussions 30
• 4 Frequency Synchronization Receiver Design for CDD-OFDM system 35
• 4.1 Signal Models 36
• 4.2 Conventional Joint CFO and SFO Estimation Scheme 37
• 4.3 Proposed Joint CFO and SFO Estimation Scheme 39
• 4.3.1 Joint CFO and SFO Estimator by parameter selection 39
• 4.3.2 MSE Analysis 42
• 4.4 Simulation Results and Discussions 44
• 5 A Fine Frequency Offset Estimation Scheme for MIMO OFDM system 52
• 5.1 Signal Model 53
• 5.2 Conventional Estimation Scheme 54
• 5.3 Proposed Estimation Scheme 56
• 5.3.1 Estimation Algorithm 56
• 5.3.2 Selection of Optimal Block Size 58
• 5.3.3 Estimation Range and Complexity 60
• 5.4 Simulation Results 61
• 6 Conclusion 66