Time-Interleaved Block Windowed Burst OFDM: Channel Estimation and Synchronization techniques

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia

No contexto da indústria de telecomunicações, as comunicações móveis desempenham um papel muito importante devido ao seu impacto na economia e na sociedade global. As expectativas aumentam com a introdução da quinta geração (5G) que permite o acesso dos utilizadores em qualquer lugar com elevada fiabilidade e qualidade de serviço.Dentro deste contexto, é usado o Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) que garante robustez contra canais seletivos no domínio da frequência, fornece elevadas taxas de transmissão de dados e fácil implementação baseada na transformada discreta de Fourier.No entanto, esta técnica apresenta uma eficiência espectral limitada, baixa eficiência energética e sensibilidade a erros de sincronismo.Como alternativa, foram desenvolvidas técnicas de modulação híbridas, como o Time Interleaved Block Windowed Burst-OFDM (TIBWB-OFDM).Esta dissertação desenvolve o modelo do transceptor TIBWB-OFDM através da introdução de técnicas adequadas a um cenário de comunicações reais sem fios. Consequentemente, os principais desafios e foco deste trabalho passaram pelo desenvolvimento de algoritmos de estimação de canal e sincronismo de tramas. Um passo importante para obter uma sincronização de tramas fiável é a escolha de preâmbulos com propriedades de correlação ótimas, como por exemplo, as sequências de Zadoff-Chu (ZC). Os resultados experimentais mostram que aplicando algoritmos de correlação e um dispositivo de limiar, é possível detectar perfeitamente o ínicio de cada trama TIBWB-OFDM. Em simultâneo, as sequências de ZC foram também aplicadas no contexto de estimação de canal através da aplicação de estimadores e algoritmos desenvolvidos baseados no OFDM.Desta forma, esta dissertação propõe um método conjunto de estimação de canal e sincronismo de tramas, aplicado ao TIBWB-OFDM, tomando partido das sequências ZC amplificadas.

In the segment of communications industry, wireless mobile communications are one of the most important innovations of our times due to its impact in the global economy and society. Expectations grow with the arrival and demands that the fifth generation of mobile telecommunications (5G) brings associated with an everywhere user access with better reliability and quality. In this context, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a widely used system that guarantees robustness against frequency selectivity channels, provide high data transmission rates and a easy implementation based on the discrete Fourier transform. However, this technique has high limited spectral efficiency, low power efficiency and sen- sitivity to synchronization errors. As an alternative, hybrid modulation techniques such as the time interleaved block windowed burst orthogonal frequency division multiplexing (TIBWB-OFDM) were developed.This thesis develops the TIBWB-OFDM transceiver model and the modifications necessary to implement this technique in a real wireless link scenarios. Hence, channel estimation and frame synchronization algorithms were the key challenges and focus of this work. An important step to achieve reliable frame synchronization is the choice of preamble sequences with optimum correlation proprieties, such as the Zadoff-Chu (ZC) sequences. Our experimental results show that by applying a correlation algorithm and a threshold device it is possible to detect perfectly each TIBWB-OFDM frame beginning. On the other hand, ZC sequences were also used to acquire the channel information by applying estimators and algorithms based on the OFDM technique.Therefore, this thesis proposes a joint channel and frame synchronization esti- mation using power amplified ZC sequences as preambles in the TIBWB-OFDM method.