Algorithme conjoint de synchronisation temporelle et d`estimation de

1
L2TI, Institut Galil
é
e, Universit
é
Paris 13 Sorbonne Paris Cit
é
, 99 avenue J.
-
B. Cl
é
ment, 93 430 Villetaneuse, France
2
LSS/CNRS, SUPELEC, 3 rue
Joliot
Curie, 91 192
Gif
sur Yvette, France
3
VNU
University
of
Engineering
and
Technology
, E3, 144
Xuan
Thuy
,
Cau
Giay
, Hanoi, Vietnam
{
luong.nguyen
,
anissa.mokraoui
}@univ
-
paris13.fr,
pierre.duhamel
@
lss.supelec.fr
,
linhtrung
@
vnu.edu.vn
Cong Luong Nguyen
1
, Anissa Mokraoui
1
, Pierre Duhamel
2
, Nguyen Linh
-
Trung
3
Algorithme conjoint de synchronisation temporelle et
d'estimation de canal compatible avec la norme IEEE 802.11a
Nous traitons le probl
è
me de la synchronisation temporelle de stations mobiles dans un
syst
è
me de transmission OFDM de type IEEE 802.11a. Bien
que des solutions pour compenser les d
é
calages en temps aient d
é
j
à
é
t
é
propos
é
es, nous avons d
é
velopp
é
une nouvelle approche qui exploite non
seulement les informations habituellement d
é
di
é
es
à
la synchronisation mais
é
galement de nouvelles sources d'informations connues par le r
é
cepteur
qui les exploitera. Le champ SIGNAL de la trame physique, compos
é
de deux
sous
-
champs
, a
é
t
é
identifi
é
. Ce champ est parfaitement pr
é
dit par le
r
é
cepteur
à
partir d'informations contenues dans la trame de contrôle RTS l
orsque le m
é
canisme de r
é
servation de support (CSMA/CA) est activ
é
conjointement
à
des algorithmes d'adaptation de d
é
bit de transmission au canal. De plus, nous effectuons conjointe
ment l'estimation de canal, ce qui
am
é
liore encore les performances de synchronisation. Les r
é
sultats de simulation montrent que notre algorithme robuste de s
ynchronisation en
temps, conforme au standard 802.11a, am
é
liore la probabilit
é
de d
é
tection de paquets r
é
ellement transmis compar
é
e aux m
é
thodes classiques.
II. Syst
è
me de communication IEEE 802.11a
III. 3. Synchronisation fine du d
é
calage en temps
III. 2. Compensation du d
é
calage en fr
é
quence
)
(
n
x
)
(
)
(
)
(
)
(
1
0
)
(
2
n
g
e
i
n
x
i
h
n
r
L
i
N
n
j
T
F
c
Signal re
ç
u puis transpos
é
en bande de base :
: signal
é
mis
: r
é
ponse
impulsionnelle
du canal de longueur
L
: bruit Gaussien additif de variance
: d
é
calage temporel entre les symboles OFDM
:
d
é
calage fr
é
quentiel normalis
é
avec
T
la dur
é
e d
’
un symbole OFDM et
l
’é
cart entre la fr
é
quence porteuse de l
’é
metteur et celle du r
é
cepteur
)
(
n
g
c
F
h
Objectifs : Compenser les d
é
calages avant la d
é
modulation
Scrambler
Convolutional
Encoder
Interleaving
M
-
QAM
M
-
PSK
(BPSK for
SIGNAL)
IFFT
64
-
Points
Insert GI
and
Window
DAC
and
Up
-
RF
Descramber
Deinterleaving
FFT
64
-
Points
ADC
And
Down
-
RF
Channel
Multipath
DATA bits
PREAMBLE
symbols
DATA bits
Synchronisation
SIGNAL bits
SIGNAL bits
Convolutional
Decoder
M
-
QAM
M
-
PSK
(BPSK for
SIGNAL)
( )
X k
)
(
n
x
)
(
t
x
)
(
t
r
)
(
t
g
)
(
ˆ
k
X
( )
r n
Notations
I. Trame physique IEEE 802.11a
IEEE 802.11a PREAMBLE
SIGNAL
LTF2
GI2
LTF1
STF10
GI
STF7
STF8
STF9
STF1
DATA
Signal
Detect
, AGC
Short Training Field (STF)
Long Training Field (LTF)
Coarse
Freq
.
and
Time
Synchronization
Fine
Freq
.
Synchronization
,
Channel Estimation
10 x 0.8 = 8
µ
s (160
samples
)
2 x 0.8 + 2 x 3.2 = 8
µ
s (160
samples
)
0.8 + 3.2 = 4
µ
s
(80
samples
)
Nouveau PREAMBULE
RATE
LENGTH
PARITY
TAIL
R
BPSK, Code
convolutif
(K=7, [171,
133],r=1/2)
STF
SIGNAL
MAP
Synchronisation Grossi
è
re en
Temps (SGT)
)
(
n
c
)
(
ˆ
n
h
)
(
n
r
)
(
n
c
s
ˆ
)
(
n
r
s
)
(
n
r
f
Synchronisation Fine en
Temps (SFT)
s
ˆ
ˆ
)
(
n
r
GRETSI 2013
Brest 3
-
6 Septembre 2013
3.
Extension de la s
é
quence d
’
apprentissage :
Identification du champ SIGNAL
)
(
ˆ
n
x
LTF de la trame de contrôle RTS pour l
’
estimation du canal au sens du MAP :
1.
Estimation du signal
é
mis :
2.
Estimation grossi
è
re du d
é
calage :
1
0
*
)
(
ˆ
)
(
max
arg
ˆ
STF
L
n
n
x
n
c
III. 1. Synchronisation grossi
è
re en temps
Habituellement, l
’
estimation grossi
è
re du d
é
calage en temps est d
é
duite de la corr
é
lation calcul
é
e
entre la s
é
quence d
’
apprentissage et le signal re
ç
u comme suit :
ST F
L
n
n
r
n
c
0
*
)
(
)
(
max
arg
ˆ
Pour am
é
liorer cette estimation, nous avons apport
é
les modifications suivantes :
III. Algorithme de synchronisation robuste
Le signal re
ç
u puis compens
é
en bande de base :
4.
Estimation du d
é
calage r
é
siduel :
)
(
)
(
)
(
)
(
1
0
)
(
2
n
g
e
i
n
x
i
h
n
r
L
i
N
n
j
s
s
s
)
(
)
(
ˆ
1
2
1
1
2
h
h
g
H
h
g
H
R
r
G
R
G
G
h
Egalisation
zero
-
forcing
:
ˆ
s
avec
)
(
ˆ
)
(
)
(
k
H
k
R
k
X
1
0
N
k
(avec )
r
: signal associ
é
à
la s
é
quence LTF de la trame de contrôle RTS
: matrice de covariance ( respectivement vecteur moyenne) d
u vrai canal
: matrice d
’é
chantillons de la s
é
quence d
’
apprentissage
2
g
h
h
R
G
Pr
é
diction du champ LENGTH (bas
é
e sur la trame de contrôle CTS)
Pr
é
diction du champ DURATION (bas
é
e sur la trame de contrôle RTS)
1
0
)
(
*
)
(
)
(
max
arg
ˆ
)
(
SIG
k
s
L
n
k
s
s
s
s
n
r
n
c
K
K
k
k
s
,...,
)
(
Le signal re
ç
u, compens
é
en fr
é
quence puis transpos
é
en bande de base :
)
(
)
(
)
(
)
(
1
0
2
n
g
e
i
n
x
i
h
n
r
L
i
N
n
j
f
SIG
L
Parmi on cherch
e
)
(
n
c
s
Avec la s
é
quence connue repr
é
sent
é
e par les 10 STF; la longueur des 10 STF
)
(
n
c
STF
L
On suppose parfaitement connu; le nouveau d
é
calage r
é
siduel
M
é
canisme d
’
esquive de collisions (CSMA
\
CA) activ
é
:
s
s
ˆ
Avec la s
é
quence connue associ
é
e au SIGNAL et GI; la longueur du champ SIGNAL et GI
)
(
)
(
ˆ
1
2
1
1
2
h
h
g
f
H
h
g
H
R
r
G
R
G
G
h
m
f
r
Avec le signal re
ç
u associ
é
à
la s
é
quence d
’
apprentissage LTF
M
M
m
,...,
Soit
1
0
2
)
(
ˆ
max
arg
ˆ
L
n
n
h
m
m
L
’
estimation de la r
é
ponse
impulsionnelle
du canal au sens du MAP :
Le d
é
calage optimal :
Estimation conjointe de la r
é
ponse
impulsionnelle
du canal et du d
é
calage r
é
siduel
Conforme au mode 1 du standard 802.11a
Bandwidth
B
=20 MHz;
Sampling
time
T
s
=50 ns;
Number
of
sub
-
carriers
N
c
=52;
Number
of
FFT/IFFT points
N
= 64;
Sub
-
carrier
spacing
∆
F
= 0.3215 MHz; Data rate
R
= 6
Mbps
.
Canal de transmission :
Rice
avec COST207
-
RA;
Autres param
è
tres :
Frequency
offset
∆
F
c
= 0.5
∆
F
;
L
STF
= 160;
L
SIG
= 80;
M
= 30;
K
= 80.
Algorithme 1 (MAP) :
Algorithme conjoint de synchronisation et
d
’
estimation de canal, modifi
é
(crit
è
re des MC
remplac
é
par le crit
è
re MAP pour l
’
estimation du
canal) ;
Algorithme 2 (SIGNAL
-
MAP)
:
la synchronisation grossi
è
re n
’
estime pas le canal ;
Algorithme 3 (EC
-
SIGNAL
-
MAP) :
Algorithme propos
é
.
Param
è
tres de simulation :
2
10
7
)
MAP
(
PSF
2
10
5
.
3
)
MAP
SIGNAL
(
PSF
4
10
7
)
MAP
SIGNAL
EC
(
PSF
dB
5
.
17
SNR
4
E
cart
Pour et :
Probabilit
é
de d
é
tecter l
’
arriv
é
e d
’
un paquet avec un
é
cart donn
é
par rapport
à
la vraie position
ˆ
e
Comparaison des performances :
IV. R
é
sultats de simulation
Principe de l
’
algorithme propos
é
:
Objectif : Compenser le d
é
calage temporel entre les stations mobiles
Pr
é
ambule IEEE 802.11a d
é
di
é
à
la synchronisation (STF, LTF)
Extraction par le r
é
cepteur de nouvelles sources d
’
information disponible
au niveau de la couche physique
Informations exploit
é
es par notre algorithme :
É
metteur
R
é
cepteur
RTS
CTS
DATA
ACK
SIFS
SIFS
SIFS
Temps
DIFS
)
(
t