[論文レビュー] Design and Development of a Burst Acquisition System for Geosynchronous Satcom Channels

K. Vasudevan|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2015

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 38被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ターボ符号化されたオフセットQPSKを用いた地球静止軌道衛星通信のための離散時間バースト受信システムを提案する。アップサンプルドマッチドフィルタリングとフィードフォワード同期を用いて、迅速なクロックおよびキャリア復帰を実現する。1.5 dBのEb/N0で効果的な性能を発揮し、周波数オフセットが最大30%、クロックオフセットが25 ppmの状況下でも動作可能であり、位相のあいまいさを解消し、微分符号化を不要とすることで、高速かつ信頼性の高い受信を実現する。

ABSTRACT

The key contribution of this work is to develop transmitter and receiver algorithms in discrete-time for turbo- coded offset QPSK signals. The proposed synchronization and detection techniques perform effectively at an SNR per bit close to 1.5 dB, in the presence of a frequency offset as large as 30 % of the symbol-rate and a clock offset of 25 ppm (parts per million). Due to the use of up-sampling and matched filtering and a feedforward approach, the acquisition time for clock recovery is just equal to the length of the preamble. The carrier recovery algorithm does not exhibit any phase ambiguity, alleviating the need for differentially encoding the data at the transmitter. The proposed techniques are well suited for discrete-time implementation.

研究の動機と目的

• 地球静止軌道衛星通信向けに、低複雑性かつ高性能なバースト受信システムを開発すること。
• 実用的な衛星回線で一般的に見られる大きな周波数オフセットおよびクロックオフセットの下でも、信頼性の高い同期を実現すること。
• 離散時間実装を可能にすることで、ユーザー端末用途における受信機の複雑性とコストを低減すること。
• データ支援技術を用いてキャリア位相のあいまいさを解消することで、微分符号化の必要性を排除すること。
• 最小限のフィードバックで、フィードフォワードタイミングおよびキャリア復帰アルゴリズムを用いて、高速な受信を実現すること。

提案手法

• アップサンプルドマッチドフィルタ出力を活用し、アップサンプルドマッチドフィルタリングに基づくデータ支援型、フィードフォワード方式によるタイミングおよびキャリア復帰を採用する。
• クロック復帰は、1つのプレアンブル期間内でのみ実現され、アップサンプルドマッチドフィルタ出力を補間器として利用する。
• 位相のあいまいさを回避するための意思決定に基づくアルゴリズムをキャリア復帰に採用し、微分符号化の必要性を排除する。
• 非線形パワー増幅器を用いた高スペクトル効率および高電力効率を実現するため、ターボ符号化されたオフセットQPSK変復調方式を採用する。
• 同期アルゴリズムは離散時間実装を想定して設計されており、デジタルベースバンド処理との互換性を確保する。
• 受信機ではBCJRアルゴリズムを用いて反復的ソフト出力デコードを実行し、数値オーバーフローを防ぐために、正規化された前方および後方状態メトリクスを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球静止軌道SatCom回線において、大きな周波数オフセットおよびクロックオフセットが存在する状況下で、最小限の受信時間でバースト受信をどのように実現できるか？
• RQ2 OQPSKシステムにおいて、微分符号化を必要とせずに、位相のあいまいさに強いキャリア復帰が可能か？
• RQ3 周波数オフセットが符号レートの30%に達するような高周波数オフセット条件下でも、信頼性のある受信に必要な最小SNRはどの程度か？
• RQ4 アップサンプルドマッチドフィルタリングを用いたフィードフォワードタイミング復帰は、フィードバック方式と比較して、受信速度および複雑性の面でどのように異なるか？
• RQ5 追加白色ガウスノイズ（AWGN）環境下で、提案された同期技術を用いたターボ符号化OQPSKの実現可能な性能はどの程度か？

主な発見

• 提案されたシステムは、Eb/N0が1.5 dBにまで低下する状況下でも、信頼性の高いバースト受信を実現し、低SNR環境下での頑健性を示した。
• キャリア復帰が位相のあいまいさを効果的に解消し、微分符号化を不要とすることで、直接検出が可能となった。
• クロック復帰は、正確に1つのプレアンブル長で受信が完了し、フィードバック方式と比較して、著しく受信時間を短縮した。
• システムは、符号レートの30%までの周波数オフセットおよび25 ppmまでのクロックオフセットに対して、効果的に動作した。
• アップサンプルドマッチドフィルタリングの使用により、フィードフォワードタイミング復帰が可能となり、実装の簡素化と遅延の低減が達成された。
• 離散時間設計により、ユーザー端末向けの低コストでソフトウェア定義の受信機実装と高い互換性が確保された。