In high data rate wireless communication systems, the robust synchronization is one of the critical criterions. Since OFDM and a single carrier system with frequency domain equalizer (SC-FDE) have a lot of similarities, the synchronization tasks and methods can be comparable. For the reasonable synchronization performance, applying a preamble part to the transmission format is a well-known approach. The preamble consists of training symbols which are used for different synchronization tasks at the receiver. Carrier frequency offset (CFO) estimation is one of the synchronization problems. CFO is caused by the frequency mismatch between the local oscillators at the transmitter and receiver and the Doppler frequency shift due to relative motion between transmitter and receiver. There will always be some remaining CFO after the initial preamble based carrier frequency synchronization. While this remaining offset in OFDM causes inter-carrier-interference (ICI) which could lead to severe performance degradation and introduces a rotation of the constellation diagram, it causes a rotation of the whole constellation diagram from one received block to the other in SC-FDE. This rotation cause a random spreading of the constellation points and the constellation points of the individual symbols experience a spreading along circles.
To compensate this residual CFO, the phase tracking is required. In the cyclic prefix based systems including OFDM and a single carrier system with CP (CP-SC), the pilot symbols are inserted in data frame regularly. However, using CP based systems with the preamble and additional pilot symbols would be inefficient approach. Thus, we consider a SC-FDE system with unique word (UW) instead of the CP. The main advantage of UW based SC-FDE is the fact that UW can be equalized together with the data symbols since the UW is part of the FFT block. Therefore the equalized UW symbols can effectively be used to improve the estimation accuracy. Moreover, implementing the structure of UW, pilot sequences are available automatically. By using this structural advantage, we focus on the design of frequency synchronization algorithm to improve performance for UW SC-FDE.
The basic idea of proposed scheme is to use the repeated UW symbols which are equalized with data symbols. To obtain the repeated UWs, we extend the FFT size and then implement the linear estimator to estimate frequency offset accurately. After the partial frequency offset is compensated, the FFT output of UW symbols has no effect of ICI. However, there will be the remaining frequency offset which is integer value. By finding the remaining offset with a metric, the frequency offset is finally obtained. This scheme can achieve reliable estimation accuracy and increase the acquisition range without preamble part.
대용량 데이터 무선 전송 시스템에서 확실한 동기화 과정은 매우 중요한 부분이다. OFDM과 단일 반송파 주파수 영역 등화 시스템은 유사한 점이 많기 때문에 동기화 과정이나 방법 역시 서로 비슷하게 사용될 수 있다. 신뢰할 만한 동기화 성능을 얻기 위한 전송 포맷에 프리앰블을 이용하는 방법은 잘 알려져 있다. 사용되는 프리엠블은 훈련 심볼로 이루어져 있는데 이것은 수신단에서 필요한 여러 동기화 작업에 사용된다. 반송파 주파수 옵셋 (CFO) 추정은 동기화 과정의 한 부분이다. CFO는 송수신단의 움직임 변화에 의한 도플러 주파수 이동이나 내부의 오실로스코프 사이의 주파수 불일치에 의해 발생한다. 초기에 프리엠블을 이용한 동기화 후에도 남아있는 CFO가 항상 존재한다. 이렇게 남아있는 옵셋은 OFDM에서 심각한 성능 열화를 야기하는 ICI와 constellation 도표의 회전을 발생시키는 원인이 되는 반면, SC-FDE 시스템에서는 하나의 블록부터 다른 블록들까지 전부 constellation 도표를 회전시킨다. 이 회전은 constellation 점들을 각각 원 위에 랜덤하게 퍼지도록 만든다.
남아있는 CFO를 보상하기 위해서는 페이즈 추적이 필요하다. CP를 사용하는 OFDM이나 단일 반송파 시스템에서는 파일럿 심볼을 데이터 프레임 안에 규칙적으로 삽입된다. 그러나 프리엠블이나 추가적인 파일럿 심볼을 이용하는 CP 기반의 시스템들은 비효율적인 방법이 될 수 있다. 따라서 CP대신 Unique word (UW)를 이용한 단일 반송파 주파수 영역 등화 시스템을 고려한다. UW 기반의 SC-FDE 시스템의 장점은 UW가 FFT 블록에 포함되어 데이터 심볼과 함께 등화 될 수 있다는 점이다. 따라서 등화 된 UW 심볼이 추정의 정확도를 높이는데 효과적으로 사용될 수 있다. 또한, UW의 구조를 사용함으로써 자동적으로 파일럿 시퀀스의 역할을 가능하게 한다. 이러한 구조적 장점을 이용하여 UW SC-FDE에서의 주파수 동기화 성능 향상 시키기 위한 알고리즘을 개발한다. 제안된 방법은 데이터 심볼과 함께 등화가 이루어진 거친 여러 개의 UW 심볼을 이용하여 추정 성능을 향상 시키는 것이다. 이때 주파수 동기화를 위한 FFT 사이즈를 증가시킴으로써 한번의 IFFT 출력에 여러 개의 UW 심볼을 얻을 수 있고 이것을 이용하여 정확한 주파수 옵셋을 추정하기 위해 선형 추정기를 사용한다. 이렇게 추정 값을 사용하여 부분적으로 주파수 옵셋을 보상한 이후 FFT를 거친 UW는 더 이상 ICI가 존재 하지 않는다. 그러나 남아 있는 주파수 옵셋에 의해 주파수 이동이 발생할 수 있고 이 값은 정수 값을 갖는다. 남아있는 옵셋 값을 구함으로써 최종적으로 추정하고자 하는 주파수 옵셋을 구할 수 있다. 이 방법을 이용하면 추가적인 프리엠블을 이용하지 않고 신뢰할만한 추정 정확도와 습득 범위의 증가를 얻을 수 있다.
