Performance evaluation of practical OFDM systems with imperfect synchronization

Abstract

Die vorliegende Arbeit zielt darauf, potentielle Übertragungsverluste verursacht durch Synchronisiationsfehler in der Abwärtsstrecke von zwei bedeutenden zelullaren OFDM basierten Standards aufzudecken, nämlich WiMAX und LTE. Im Gegensatz zu üblichen Verfahren der Literatur wird dabei der kodierte Datendurchsatz als wesentliches Leistungsmass herangezogen. Der Einfluss von ungenauer Trägerfrequenz und Symbol-Zeitverhalten wird mithilfe analytischer Modelle und Link-basierter Simulation von vorhandenen zellularen Standards untersucht. Bzgl. der Genauigkeit beim Frequenzversatz wird basierend auf einem modifizierten differentiellem Schätzer für WiMAX gezeigt, dass der Schätzer die Cramer-Rao Grenze erreicht und dass die Qualität signifikant erhöht wird wenn man den MSE Fehler betrachtet. Allerdings wird diese Verbesserung vernachlässigbar, wenn man den kodierten Durchsatz betrachtet. Deshalb wird eine Durchsatzverlust-Voraussage für LTE vorgeschlagen. Diese Model schließt die gesamten physikalische Schicht der LTE Abwärtsstrecke in die Betrachtung ein und erlaubt es des Duchsatzverlust auszurechnen, sobald SNR und Frequenzversatz bekannt sind. Beim Zeitverlauf zeigt sich, dass ein zu später Abtastbeginn Intercarrier und Intersymbolinterferenz erzeugen, ein zu früher Abtstbeginn hingegen verursacht einen Qualitätsverlust des Schätzers. Deshalb ist eine extrem genaue Symbolabtastzeit erforderlich, um ein kohärentes OFDM Übertragungssystem zu gewährleisten. Obwohl im Allgemeinen geglaubt wird, dass im wesentlichen nur Trägerfrequenzversatz und falsche Symbolabstastzeit Intersymbolinterferenz und Intercarrierinterferenz erzeugen, verursachen andere Effekte wie Common Phase Error und zusatzliche Phasenvariation ebenso negative Einflüsse. Wegen des Designkriteriums über dem gesamten Übertragungswegs können solche Einflüsse die Funktionalität anderer Signalverarbeitungseinheiten weiterhin negativ beeinflussen. In einem gewissen Umfang bestimmen diese Nebeneffekte auch die Anforderungen an die Synchronisationsgenauigkeit in praktischen OFDM Übertragungssystemen.<br />

This work aims to expose the potential performance loss due to synchronization errors in the downlink of the two major cellular standards of OFDM systems, i.e., the WiMAX OFDM physical layer and the LTE. Different to most results in literature, the physical layer coded throughput is utilized as the major performance measure. The influence of an imperfect carrier frequency synchronization or symbol timing is evaluated via analytical modeling and standard compliant link level simulations.<br />In the frequency aspect, a modified differential estimator for the residual frequency offset in WiMAX is proposed. It is shown that the theoretical performance of such an estimator approaches the Cramer-Rao lower bound and provides a significant gain in terms of the mean squared error. However, such an improvement becomes negligible in terms of the coded throughput. Therefore, a throughput loss prediction model is proposed for the LTE downlink. This model takes into account the entire physical layer of the LTE downlink and is able to indicate the throughput loss given an arbitrary signal-to-noise ratio and carrier frequency offset. In the timing aspect, a quantitative evaluation shows that a late timing mainly causes the inter-carrier and inter-symbol interference, whereas an early timing degrades the channel estimation performance. Therefore, an extremely accurate symbol timing is required in a coherent OFDM transmission system.<br />Although it is generally believed that the carrier frequency offset and symbol timing offset cause merely inter-carrier interference and inter-symbol interference, other effects, i.e., the common phase error and the additional phase variation induces negative impacts as well. Due to the overall system design constraint, these impacts may interfere the performance of other signal processing units and further degrades the system performance. These side-effects to some extent raise the requirement on the synchronization accuracy in practical OFDM systems.<br />