Receiver synchronisation techniques for CDMA mobile radio communications based on the use of a priori information

Abstract

Receiver synchronisation can be a major problem in a mobile radio environment where thecommunication channel is subject to rapid changes. Communication in spread spectrum systemsis impossible unless the received spreading waveform and receiver-generated replica ofthe spreading waveform are initially synchronised in both phase and frequency. Phase and frequencysynchronisation is usually accomplished by performing a two-dimensional search inthe time/frequency ambiguity area. Generally, this process must be accomplished at very lowSNRs, as quickly as possible, using the minimum amount of hardware. This thesis looks into techniques for improving spread spectrum receiver synchronisation interms of the mean acquisition time. In particular, the thesis is focused on receiver structuresthat provide and/or use a priori information in order to minimise the mean acquisition time. The first part of this work is applicable to synchronisation scenarios involving LEO satellites. In this case, the receiver faces large Doppler shifts and must be able to search a large Dopplerambiguity area in order to locate the correct cell. A method to calculate the Doppler shift probabilitydensity function within a satellite spot-beam is proposed. It is shown that depending onthe satellite’s velocity and position as well as the position of the centre of the spot-beam, notall Doppler shifts are equally probable to occur. Under well defined conditions, the Doppler pdf within the spot-beam can be approximated by a parabola-shaped function. Several searchingstrategies, suitable for the given prior information, are analysed. The effects on the meanfrequency searching time are evaluated. In the second part of the thesis a novel acquisition technique, based on a fast preliminary searchof the ambiguity area, is described. Every cell of the ambiguity area is examined two times. The first search is a fast straight line serial search, the duration of which is a crucial parameterof the system that must be optimised. The output of the first search is then used as a prioriinformation which determines the search strategy of the second and final search. The system iscompared with well known active acquisition systems and results in a large improvement in themean acquisition time. Its performance is evaluated in Gaussian and fading Rayleigh channels.

Ο συγχρονισμός του δέκτη είναι ένα σοβαρό πρόβλημα στα συστήματα κινητών ασύρματων επικοινωνιών στα οποία το κανάλι υπόκειται σε γρήγορες μεταβολές. Ειδικά στα συστήματα «Διευρυμένου Φάσματος» (Spread Spectrum) η επικοινωνία είναι αδύνατη αν δεν προηγηθεί ο συγχρονισμός της λαμβανομένης ψευδοτυχαίας ακολουθίας διεύρυνσης φάσματος (PN code) με το αντίγραφό της που χρησιμοποιεί ο δέκτης τόσο στο χρόνο (φάση) όσο και στη συχνότητα. Ο συγχρονισμός φάσης και συχνότητας επιτυγχάνεται συνήθως από τον δέκτη, χρησιμοποιώντας μια δυσδιάστατη σάρωση της περιοχής αβεβαιότητας φάσης-συχνότητας. Γενικά η διαδικασία αυτή πρέπει να ολοκληρωθεί με επιτυχία σε συνθήκες πολύ χαμηλών σηματοθορυβικών λόγων (SNR), εξαιρετικά γρήγορα και με την ελάχιστη δυνατή προσθήκη νέων κυκλωματικών διατάξεων (hardware) στο δέκτη.Κατά τη διάρκεια του διδακτορικού εξετάστηκαν νέες τεχνικές συγχρονισμού ενός δέκτη διευρυμένου φάσματος οι οποίες αποσκοπούν στην ελάττωση του μέσου χρόνου ανάκτησης της ψευδοτυχαίας ακολουθίας διεύρυνσης φάσματος (PN code mean acquisition time). Πιο συγκεκριμένα το διδακτορική διατριβή εστιάστηκε σε νέες διατάξεις συγχρονισμού οι οποίες χρησιμοποιούν a priori πληροφορία προκειμένου να ελαττώσουν τον μέσο χρόνο ανάκτησης της ψευδοτυχαίας ακολουθίας.Το πρώτο μέρος της διατριβής είναι εφαρμόσιμο σε συστήματα δορυφόρων χαμηλής τροχιάς (Low Earth Orbit satellites). Στη περίπτωση αυτή ο επίγειος δέκτης είναι αντιμέτωπος με μεγάλες συχνότητες Doppler και επομένως πρέπει να σαρώσει μια μεγάλη περιοχή αβεβαιότητας συχνότητας προκειμένου να εντοπίσει τη σωστή συχνότητα Doppler. Προτάθηκε μια μέθοδος υπολογισμού της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας της συχνότητας Doppler που αντιμετωπίζει ο επίγειος δέκτης μέσα στο δορυφορικό ίχνος (spot beam). Αποδείξαμε ότι δεδομένης της θέσης και της ταχύτητα του δορυφόρου καθώς και της θέσης του κέντρου του δορυφορικού ίχνους, η κατανομή του Doppler μέσα στο ίχνος δεν είναι ομοιόμορφη. Υπό καλά καθορισμένες συνθήκες η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας Doppler μπορεί να προσεγγιστεί από μια παραβολή. Δεδομένης αυτής της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας ως a priori πληροφορίας, αναλύονται κάποιεςστρατηγικές σάρωσης της περιοχής αβεβαιότητας Doppler και εκτιμώνται οι επιπτώσεις στο μέσο χρόνο ανάκτησης της ψευδοτυχαίας ακολουθίας. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής αναπτύσσεται μια καινούργια μέθοδος συγχρονισμού, η οποία βασίζεται σε μια ταχεία σάρωση της περιοχής αβεβαιότητας. Κάθε κελί της δυσδιάστατης περιοχής αβεβαιότητας εξετάζεται δυο φορές. Η πρώτη είναι μια απλή και γρήγορη γραμμική σάρωση, η χρονική διάρκεια της οποίας είναι σημαντική παράμετρος του συστήματος και πρέπει να βελτιστοποιηθεί. Το αποτέλεσμα της γρήγορης σάρωσης χρησιμοποιείται ως a priori πληροφορία η οποία καθορίζει τη στρατηγική σάρωσης της δεύτερης και τελευταίας εξέτασης. Το νέο αυτό σύστημα συγχρονισμού συγκρίνεται με τα πιο γνωστά συστήματα της βιβλιογραφίας και αποδεικνύεται ότι μπορεί να ελαττώσει σημαντικά το μέσο χρόνο ανάκτησης της ψευδοτυχαίας ακολουθίας σε Gaussian κανάλια. Η απόδοσή του εξετάζεται και σε κανάλια Rayleigh.