Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is an effective modulation technique for high-rate and high-speed transmission over frequency selective fading channels. However, OFDM systems can be extremely sensitive and vulnerable to synchronization errors.
One of the main limitations of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is its sensitivity to symbol timing offset (STO) because it is difficult to obtain an accurate interpolation between the pilot subcarriers in the presence of a residual STO. And general requirements of OFDM receiver are the ratio of the number of overhead bits for synchronization to the number of message bits must be kept to minimum and low-complexity algorithms. Based on these criteria for OFDM based communication system, we propose a novel symbol timing offset estimation algorithm.
This dissertation focuses the low-complexity point of view and proposes a low complexity STO estimation scheme in OFDM based digital radio mondiale plus (DRM+) system. To this end, the pilot symbols used for STO estimation in the DRM+ system are partitioned into a number of pilot subsets, and pilots in each subset are phase-rotated to have a unique phase so that the estimator is made computationally efficient. Via computer simulation, such a design achieves not only a low computational load but also comparable performance, when compared to the conventional STO estimation scheme.
무선 FM 방송 채널에서는 다수의 전송 조건들에 대응하기 위하여 OFDM의 많은 파라미터들이 채널 조건에 따라 변한다. OFDM 시스템은 송신단과 수신단간의 주파수 및 시간 동기 오차에 대해서 매우 민감하며, 이러한 동기화 오차는 심각한 시스템 성능 저하를 야기한다. 결과적으로 OFDM 기반의 DRM 시스템에서 시간 및 주파수 동기화 과정은 매우 주요한 이슈이다. 따라서 OFDM 시스템의 수신기는 FFT 윈도우의 위치가 심벌의 시작점과 맞지 않을 경우, 심볼 간 간섭 (ISI)이 발생하므로 수신되는 샘플 스트림에 적절한 FFT (Fast Fourier transform) 윈도우의 위치를 알아야 한다. 심볼 간 간섭을 피하기 위하여 FFT 윈도우의 시작 위치는 coarse시간 동기 오차 알고리즘으로 추정된 시점의 사전에 위치해야 하며, 이로 인하여 발생하는 잔여 시간 동기 오차는 부반송파 인덱스에 비례하는 위상 회전을 발생시킨다. OFDM 시스템의 모든 부반송파들에 파일럿이 삽입된 경우, FFT 출력 신호들과 추정된 채널 응답들은 동시에 같은 위상회전을 하게 되며, 이는 전송 신호의 추정값을 이용한 채널 추정으로 제거 할 수 있다. 따라서 fine STO는 샘플 타이밍 보상이 독립적으로 실행될 수 있는 경우에는 필수가 아니다. 하지만 무선 방송 시스템의 경우 데이터 부반송파와 파일럿 부반송파가 한 심벌 안에 같이 있으며, 데이터 부반송파들의 채널 응답들은 인접한 파일럿 부반송파들을 이용하여 추정하게 된다. 결론적으로 서로 다른 위상 회전을 갖는 파일럿 부반송파의 채널 응답을 추정하여 인터폴레이션을 실행하게 되면 잘못된 결과를 얻게 된다. 따라서 OFDM 시스템의 데이터 부반송파들의 채널 인터폴레이션 이전에 STO를 보정하는 것은 반드시 필요하다. 그러나 많은 수의 forward-shift 샘플들은 데이터 부반송파들의 채널 응답 추정을 악화시키며, 잔여 STO로 인한 위상 회전 때문에 파일럿 부반송파를 이용한 채널 인터폴레이션을 필요로 한다. 더 나아가 채널의 주파수 선택적 특성은 일반적인 방송 시스템에서 인터폴레이션 기반의 채널 추정에 영향을 주기 때문에, 잔여 STO가 존재하는 경우의 파일럿 부반송파간의 정확한 채널 인터폴레이션을 수행하는 것은 매우 복잡하며 높은 계산 복잡도를 요구한다. 따라서 잔여 STO 추정기의 정확도를 증가시켜 FFT 출력의 위상회전을 보정하는 것은 채널 인터폴레이션 성능을 증가시켜 주며, OFDM시스템의 주요 이슈 중에 하나이다.
기존의 잔여 시간 동기 오차는 일반적으로 IFFT 연산에 의해 zero-padding을 가지는 파일럿 부반송파에서 지연된 채널 충격 응답을 이용하여 추정하는 알고리즘이 제안 되었으며, 또한 FFT 이후의 신호에서 분산 파일럿 부반송파들의 회전된 위상값을 계산하여 추정하는 저 복잡도의 알고리즘도 제안되었다. 상기 알고리즘들은 일반적으로 DVB-T 및 DRM과 같은 무선 방송 시스템에서 주로 사용된다. 이 때, 각 부반송파들의 추정된 채널 응답은 분산 파일럿 부반송파에서 취득한 채널 응답들의 인터폴레이션으로 추정이 된다. 하지만 각 분산 파일럿 부반송파들이 잔여 STO로 인해 위상 회전이 되면 채널 추정기의 성능이 심각하게 감소하게 된다. 따라서 채널 인터폴레이션을 위하여 잔여 STO로 인한 위상 회전이 보상된 FFT 출력이 필요하다. 기존의 파일럿 기반의 잔여 STO 추정 알고리즘은 복잡도가 낮은 반면에 채널 임펄스 응답을 이용하는 알고리즘에 비하여 높은 추정 에러 성능을 갖는다. 이 이외에도 파일럿 부반송파의 위상 회전을 계산하기 위한 알고리즘들이 제안되었지만, ISI를 피하기 위하여 많은 계산량을 필요로 하는 단점이 존재한다.
본 논문은 OFDM 기반의 FM 대역에서 동작하는 DRM+ 시스템에서 저 복잡도의 잔여 STO를 추정하는 기법을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 모든 파일럿 부반송파 들을 다수 개의 파일럿 부분집합으로 나눈 뒤 각각의 파일럿 부분 집합 별로 잔여 STO를 추정하며, 그 결과 구현 복잡도가 기존의 알고리즘에 비하여 낮기 때문에 실시간의 고속 추정이 가능하다. 제안하는 잔여 STO 추정 기법은 fine STO 알고리즘의 추정 에러로 인한 ISI 때문에 추가적인 채널 보정을 고려하지 않고 적용 할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 논문에서 제안하는 저 복잡도의 잔여 STO 기법은 기존의 알고리즘과 비교 하였을 때 더 적은 수의 파일럿 부반송파로 설계 할 수 있다. DRM+ 시스템의 OFDM파라미터와 파일럿 패턴에서 제안하는 잔여 STO 기법을 적용하여 모의실험을 하여 성능 검증을 진행하며 그 결과 비교를 통한 제안 알고리즘의 우수성을 검증한다.
