SUPERVISOR
بهروز فرهنگ بروجنی (استاد مشاور) محمدجواد امیدی (استاد راهنما)
STUDENT
Seyyedkazem Hashemizadehkolowri
سیدکاظم هاشمی زاده کلوری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Performance Evaluation of the SC-FDMA System in Presense of Carrier Frequency Offset
Todaythe demand for multimedia wireless communications isgrowing at an extremely rapid paceand this trend isexpected to continue in the future. The common feature ofmany current wireless standards for high-rate multimediatransmission is the adoption of a multicarrier air interfacebased on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM).In OFDM, a set ofequally spaced subcarriers are used for parallel datatransmission.There is currently a strong interest in extending theOFDM concept to multiuser communication scenarios by employing orthogonal frequency division multiple access (OFDMA)and single carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) technologies.A prominent example of this trend is the 3GPP Long Term Evolution (LTE) physical layer where OFDM has been adopted as the basic modulation technique that is newin cellular applications. In an OFDMA system, the available subcarriers aredivided into several mutually exclusive sets assigned to differentusers for simultaneous transmission.As in OFDMA, the transmitters in anSC-FDMA system use different orthogonal subcarriers to transmitinformation symbols. However, they transmit the subcarrierssequentially rather than in parallel. The SC-FDMA has similar throughput performance andessentially the same overall complexity as OFDMA. Furthermore, compared with OFDMA, it has low peak to average power ratio (PAPR) property.These systems inherit some disadvantages of OFDM beside its appealing features.Similar to OFDM, OFDMA and SC-FDMA are highly sensitive to carrier frequency offset (CFO)caused by oscillator instabilities and/or wireless channel effects. However, the CFO is a morechallenging issue on OFDMA and SC-FDMA uplink systems, wheredifferent users are affected by different CFOs.Mutualorthogonality among the subcarriers in the presence of CFO is lostand consequently inter-carrier interference (ICI) and multi-user interference (MUI) are introduced. In an SC-FDMA system ICI leads to inter-symbol interference (ISI).Currently OFDMA and SC-FDMA are two competing technologies for the uplink of next generationbroadband wireless systems, so the studyand comparison of these systems in different aspects are important.Although the sensitivity analysis of the OFDM system to CFO hasbeen investigated extensively in the literature, but less studies on OFDMA uplinksystem have been reported, and lessfocus has been applied to SC-FDMA uplink system. This thesis studies and compares OFDMAand SC-FDMA systems in terms of sensitivity to CFO on the uplink. In order to calculatesignal-to-interference ratio (SIR), we use a simple superpositionprinciple approach, where the effects of different users arestudied separately. We derive closed-form mathematical expressionsfor desired signal and interference terms and, consequently, SIR forboth OFDMA and SC-FDMA systems on the uplink. It is pointed outthat there is a strong relation between sensitivity analysis toCFO and subcarrier allocation schemes. We also prove that thederived expressions are reduced to very simple forms ininterleaved subcarrier allocation for both systems. In addition, thetheoretical analysis are verified using Monte Carlo simulations inblock, interleaved,and block-interleaved subcarrier allocations and upon this set ofresults the two systems are compared.Finally a review on the important CFO compensation methods on OFDMA and SC-FDMA uplink systems is presented. Keywords: SC-FDMA, OFDMA, Carrier frequency offset, Inter-carrier interference, Multi-user interference, Inter-symbol interference, SIR analysis, CFO compensation methods.
در زمان حاضر تقاضا برای دریافت خدمات بی¬سیم با نرخ¬های انتقال بالا همچنان در حال افزایش است. افزایش تقاضا باعث شده که طی دو دهه اخیر شاهد تحولات چشم¬گیری در مخابرات بی¬سیم باشیم. در سال¬های اخیر نوعی همگرایی به سوی استفاده از روش¬های مبتنی بر OFDM در استاندارد¬ها دیده می¬شود. ایده اساسی در OFDM شکستن جریان داده ورودی با نرخ بالا به تعدادی جریان داده با نرخ¬های پائین¬تر و ارسال موازی آنها روی زیرحاملهای متعامد و همپوشان در حوزه فرکانس است.دلیل اقبالOFDMمناسب بودن آن برای نرخ¬های ارسال بالا است.مزیّت¬های OFDM سبب شده¬اند تا ایده آن با بکارگیری سیستم¬های OFDMA و SC-FDMA برای استفاده در مخابرات چندکاربره هم گسترش یابد.نمونه بارز این امر در استاندارد LTE دیده می-شود که برای نخستین بار روشهای مبتنی بر OFDM در شبکه¬های مخابرات سیّار سلولی پذیرفته شده است. در یک سیستم OFDMA زیرحامل¬های موجود به دسته¬های مجزایی تقسیم شده و به کاربران مختلف برای ارسال همزمان تخصیص داده می¬شوند. سیستم¬SC-FDMAنیز اساساً شکل تغییر یافته سیستم¬OFDMA است که در آن سمبل¬های هر کاربر روی زیرحامل¬های متناظرش با استفاده از یک پیشکدگذار DFTپخش میشوند. این سیستم دارای کارایی و پیچیدگی کلّی تقریباً یکسان باOFDMA استاما نسبت توان قله به توان متوسط در آن پائین¬تر است. سیستم¬های مذکور در کنار مزایایOFDMچالش¬های آن را نیز به ارث می¬برند. از مهمترین این چالش¬ها حساسیّت زیاد نسبت به انحراف¬های همزمانسازی و به ویژه انحراف فرکانسی است. انحراف فرکانسی تعامد بین زیرحامل¬ها را از بین برده و باعث ایجاد تداخلهای بین¬حاملی و بین¬کاربری می¬شود. در یک سیستم SC-FDMA تداخل بین-حاملی منجر به تداخل بین¬سمبلی می¬شود. در حال حاضر سیستم¬های OFDMA و SC-FDMA دو فنآوری رقیب برای ارسال فراسو در سیستم¬های مخابراتی بی¬سیم چندکاربره محسوب می¬شوند. بنابراین مطالعه و مقایسه¬ی آنها از جنبه¬های گوناگون و به ویژه حساسیّت نسبت به خطاهای همزمانسازی حائز اهمیّت می¬باشد. اگرچه تحقیقات گسترده¬ای برای تحلیل حساسیًت سیستم OFDM نسبت به انحراف فرکانسی انجام شده، با این حال تحقیقات صورت گرفته در مورد تحلیل ریاضیحساسیّت سیستم¬هایOFDMA وSC-FDMAنسبت به انحراف¬های فرکانسیاندک است. لذا در این پایان¬نامه ضمن معرفی سیستم¬¬های SC-FDMA، حساسیّت این سیستم¬ها نسبت به انحراف فرکانسی مطالعه شده و با سیستم¬های OFDMA از این لحاظ مقایسه می¬شوند. با توجه به تحقیقات اندکی که پیرامون این زمینه صورت گرفته است سعی میشود تحلیلی دقیق و تا حد امکان ساده و روشن ارائه شده و کاستی¬های کارهای موجود در این زمینه مرتفع شود.به این منظور برای محاسبه SIR در سیستمهایOFDMA و SC-FDMA از اصل جمع آثار روی کاربران مختلف استفاده می¬شود و برای سیگنال مطلوب و تداخل¬های ناشی از انحراف فرکانسی عبارات ریاضی بسته¬ای استخراج می¬شود. همچنِین نشان داده می¬شود این عبارات در تخصیص درهم¬نهاده زیرحامل¬ها برای هر دو سیستم مزبور به شکل¬های بسیار ساده¬ای در می¬آیند. سپس تحلیل¬های تئوری با انجام شبیهسازی¬های کامپیوتری مورد ارزیابی قرار می¬گیرند. همچنین روش¬های مهم تصحیح انحراف فرکانسی در سیستم¬های مذکور مرور میشوند. کلمات کلیدی : سیستم SC-FDMA، سیستم OFDMA، انحراف فرکانسی، تداخل¬های بین¬حاملی، بین¬کاربری وبین¬سمبلی، تحلیل SIR، روش¬های تصحیح انحراف فرکانسی.