ALGORITHM FOR ESTIMATING AND CORRECTING MULTIPATH CHANNEL PARAMETERS FOR DEMODULATION OFDM SIGNALS

Abstract

OFDM signals form the basis of the radio interface of 4G mobile networks. Among the most well-known systems using OFDM signals, the LTE / LTE-Advanced, IEEE 802.11, IEEE 802.16 family, as well as DVB-T, DVB-T2 digital television standards, should be noted. Due to the high spectral efficiency and noise immunity in channels with multipath propagation of radio waves, OFDM signals are also used in other systems under development. Radio systems with OFDM signals have two significant drawbacks: the high peak factor (PAPR), which reduces the efficiency of the radio transmitter, and the high sensitivity of the demodulator to frequency synchronization errors. Because of them, in the LTE system in the Up lines (from a subscriber – mobile station – MS – to the base station – BS), the SC-OFDM transmission method is used instead of the classical OFDM, which reduces the spectral efficiency. High-speed user movement in an environment with many diffusers characteristic of dense urban development leads to frequency dispersion, when a Doppler spectrum occurs near each subcarrier of the OFDM signal. In addition, in any radio communication system, there are random fluctuations in the phase of the radio signal caused by the instability of the generators of the radio receiver and radio transmitter. As a result, the orthogonality of the subcarriers is violated and mutual interference between them (ICI – inter-carrier interference) occurs. This can significantly impair the noise immunity of the transmission system. Therefore, an integral part of the demodulator processing of the OFDM signal is the channel parameter estimation and correction unit (adaptive equalizer). There are two categories of equalizers that determine the parameters of the channel – in the frequency domain and in the time domain. Since the OFDM signal demodulators use the fast Fourier transform at the subcarrier separation stage, as well as the pilot subcarriers being contained in the signal structure, it is advisable to consider equalizers that calculate the channel parameters in the frequency domain for efficient hardware implementation and good performance. Such an equalizer joins in with a demodulator after the stage of fast Fourier transformation. Traditionally for OFDM signals, an adaptive equalizer is built based on approximation of frequency description of channel by averaging of results obtained on the pilot subcarrier. Frequency dependence of total phase change of multibeam signal is not considered in such methods. Accordingly, good results can be expected at the dense location of the pilot subcarrier that reduces frequency efficiency in turn. An offered method allows considering a frequency-dependent phase change and interference losses, arising due to addition of copies of the signal from the different ways of distribution. It is special topically in systems with a small number of the pilot subcarriers. Сигнали OFDM становлять основу радіоінтерфейсу мереж мобільного зв’язку 4G. Завдяки високій спектральній ефективності та завадостійкості у каналі з багатопроменевим поширенням сигнали OFDM почали активно впроваджувати в інші системи. Серед найбільш відомих систем з сигналами OFDM можна відзначити сімейство LTE/LTE-Advanced, IEEE 802.11, IEEE 802.16, а також стандарти цифрового телебачення DVB-T, DVB-T2. Технології OFDM властиво два недоліки: велике значення пікфактора (PAPR), що знижує коефіцієнт корисної дії передавача, і висока чутливість до помилок синхронізації за частотою. Через них в LTE виключили OFDM у лініяхUp (від абонента до базової станції), і перейшли на модуляцію SC-OFDM, пожертвувавши спектральною ефективністю. Рух користувача з високою швидкістю у середовищі з безліччю розсіювачів, характерним для щільної міської забудови, приводить до частотної дисперсії, коли біля кожної піднесучої виникає допплерівський спектр. Крім того, у будь-якій системі радіозв’язку присутні випадкові флуктуації фази радіосигналу, викликані нестабільністю генераторів приймача й передавача. У результаті порушується ортогональність піднесучих і виникає взаємна завада між ними (ІСІ – inter-carrier interference), що може істотно погіршувати завадостійкість багато частотної системи. Тому невід’ємною частиною демодулятора приймального пристрою, що обробляє сигнали OFDM, є блок оцінки й корекції параметрів каналу (адаптивний еквалайзер). Існують дві категорії еквалайзерів )залежно від способу реалізації): визначальні параметри каналу в частотній області або в часовій області. Внаслідок того, що у системах з OFDM на етапі розділення піднесучих використовується швидке перетворення Фур’є, а також передбачено пілотні під несучі, то з погляду ефективності апаратної реалізації й робочих характеристик доцільно розглядати еквалайзери, що виконують розрахунок параметрів каналу в частотній області. Традиційно для сигналів OFDM адаптивний еквалайзер будується на основі апроксимації частотної характеристики каналу шляхом усереднення результатів отриманих на пілотних піднесучих. У таких методах не враховується частотна залежність сумарного фазового зсування багатопроменевого сигналу. Відповідно гарні результати можна чекати при щільному розташуванні пілотних піднесучих, що у свою чергу знижує частотну ефективність. Запропонований метод дозволяє врахувати частотно-залежне фазове зсування й інтерференційні втрати, що виникли за рахунок додавання копій сигналу від різних шляхів поширення. Це особливо актуально у системах з малим числом пілотних піднесучих. Сигналы OFDM составляют основу радиоинтерфейса сетей мобильной связи 4G. Благодаря высокой спектральной эффективности и помехоустойчивости в канале с многолучевым распространением сигналы OFDM начали активно внедрять в другие системы. Среди наиболее известных систем, использующих сигналы OFDM, можно отметить семейство LTE/LTE-Advanced, IEEE 802.11, IEEE 802.16, а также стандарты цифрового телевидения DVB-T, DVB-T2. Технология OFDM обладает двумя недостатками: большое значение пикфактора (PAPR), снижающее коэффициент полезного действия передатчика, и высокая чувствительность к ошибкам синхронизации по частоте. Из-за них в LTE исключили OFDM в линиях Up (от абонента к базовой станции), и перешли на модуляцию SC-OFDM, пожертвовав спектральной эффективностью. Движение пользователя с высокой скоростью в среде с множеством рассеивателей, характерной для плотной городской застройки, приводит к частотной дисперсии, когда около каждой поднесущей возникает доплеровский эффект. Кроме того, в любой системе радиосвязи присутствуют случайные флуктуации фазы радиосигнала, вызванные нестабильностью генераторов приёмника и передатчика. В результате нарушается ортогональность между поднесущими и возникает взаимная помеха между ними (IC – inter-carrier interference), которая может существенно ухудшать помехоустойчивость многочастотной системы. Поэтому неотъемлемой частью демодулятора приемного устройства, обрабатывающего сигналы OFDM, является блок оценки и коррекции параметров канала (адаптивный эквалайзер). Существуют две категории эквалайзеров (в зависимости от способа реализации): определяющие параметры канала в частотной области или во временной области. Вследствие того, что в системах с OFDM на этапе выделения поднесущих используется быстрое преобразования Фурье, а также предусмотрены пилотные поднесущие, то с точки зрения эффективности аппаратной реализации и рабочих характеристик целесообразно рассматривать эквалайзеры, выполняющие расчет параметров канала в частотной области. Традиционно для сигналов OFDM адаптивный эквалайзер строится на основе аппроксимации частотной характеристики канала путём усреднения результатов, полученных на пилотных поднесущих. В таких методах не учитывается частотная зависимость суммарного фазового сдвига многолучевого сигнала. Соответственно, хорошие результаты можно ожидать при плотном расположении пилотных поднесущих, что в свою очередь снижает частотную эффективность. Предложенный метод позволяет учесть частотно-зависимый фазовый сдвиг и интерференционные потери, возникшие за счет сложения копий сигнала от различных путей распространения. Это особенно актуально в системах с малым числом пилотных поднесущих.