私は、パイロットトーン、サイクリックプレフィックス、またはその他の技術を使用して、OFDMでシンボル同期がどのように行われるかを理解しようとしています。
私はいくつかの説明を提供する次の回答を読みましたが、それでも完全に理解していません。
後続のチャネル推定アルゴリズムに必要なタップ数を推定する方法は？
特定の質問：
1）パイロットトーンはどのようにして見つけられますか？サブキャリアの通常のデータと何が違うのですか？シンボルの開始と終了を決定するためにどのように使用できますか？
2）上記の答えを正しく理解していれば、循環プレフィックスを使用してシンボルの開始/終了を見つけることができます。これは、遅延と自動相関するためです。ただし、循環プレフィックスは、ISIを「吸収」するために存在します。では、プレフィックスがISIで変更されている場合、この自動相関はどのようにして成功するのでしょうか。
回答:
OFDMシステムでシンボルの同期がどのように行われるかについての一般的な質問について：
最も一般的で頻繁に使用される技術の1つは、受信機で既知の1つまたはいくつかのパイロットシンボルの送信です。パイロットシンボルは完全なOFDMシンボルであり、各サブキャリアの値はあらかじめ定義されており、送信機と受信機で知られています。これは、チャネルが変化する速さに依存する特定のレートで繰り返されます。受信信号は、OFDMシンボルの開始を検出するためにパイロットシンボルと関連付けられます。チャネル推定にも使用できます。SchmidlとCoxは、[1]でパイロットシンボルベースの技術を導入しました。この場合、パイロットシンボルは特別な対称性を持っているため、パイロットシンボルは受信機で既知である必要はありません。
Jason Rがコメントで述べたように、サイクリックプレフィックスは最初の目的ではありませんが、自己相関によって検出できる受信信号の一部の既知の繰り返しであるため、シンボル同期にも使用できます。遅延時間はシンボルごとに更新できるため、変化の速いチャネルに特に適しています。さらに、それは追加のオーバーヘッドを追加しません。ただし、ノイズ[2]に敏感で、おそらくISIにも敏感です。
編集：この方法で検出できる最大遅延は、1つのOFDMシンボルの長さです。したがって、細かい同期にのみ適しています。
さらに「エキゾチック」なテクニックがいくつかあります。これらの1つでは、たとえば、受信信号のタイムシフトバージョンのN-DFT（N =サブキャリア数）が計算されます。DFTを誤った時間枠に適用すると、結果のコンスタレーションダイアグラムが混乱します。正しい時間枠を取得した場合、星座ダイガラムは明確な星座ポイントを示します。これは、DFT出力の標準偏差を計算することで検出できます。この方法では、計算コストが高くなります。
特定の質問について
パイロットトーンはどのようにして見つけられますか？サブキャリアの通常のデータと何が違うのですか？シンボルの開始と終了を決定するためにどのように使用できますか？
受信信号を同期すると、パイロットトーンはDFTの事前定義されたビンにあります。システムを設計するとき、スペクトル内のパイロットトーンの位置は固定されています。より複雑なスキームがあり、パイロットトーンの位置が事前定義されたパターンで変化して、周波数領域と時間領域の両方でチャネルを適切に近似します。周波数領域でパイロットトーンを抽出する前に、受信信号を同期する必要があるため、パイロットトーンを同期に使用することはできません。誤った時間ウィンドウが使用されていると仮定します。サブキャリアの直交性が失われ、DFTの結果は2つの連続するOFDMシンボルの混合になります。これは非線形効果であり、パイロットシンボルはこの混合から抽出できません。パイロットトーンは、チャネル推定と、場合によっては位相ノイズの軽減に使用されます。
編集：ジムクレイがコメントで指摘したように、遅延の粗い値がわかっていて、残留遅延がサイクリックプレフィックスの長さを超えない場合、パイロットトーンによる微同期が可能です。
上記の回答を正しく理解していれば、循環プレフィックスを使用してシンボルの開始/終了を見つけることができます。これは、遅延と自動相関するためです。ただし、循環プレフィックスは、ISIを「吸収」するために存在します。では、プレフィックスがISIで変更されている場合、この自動相関はどのようにして成功するのでしょうか。
すべての同期技術と同様に、この方法はノイズとチャネル分散の影響を受け、その結果、前述の影響のある程度までしか機能しません。それがどの程度正確に機能しているかを定量化するには、Somoneが確かにすでに行っている徹底的な調査が必要です。
[1]シュミドル、TM; コックス、DC; 、「OFDMのロバスト周波数とタイミング同期」、Communications、IEEE Transactions on、vol.45、no.12、pp.1613-1621、1997年12月
[2] JJ、ファン・デ・ビーク。サンデル、M。ボルジェッソン、PO; 、「OFDMシステムにおける時間と周波数のオフセットのML推定」、信号処理、IEEEトランザクション、vol.45、no.7、pp.1800-1805、1997年7月
How is a pilot tone found?
サブキャリアに関するパイロットトーンの位置は、信号プロトコルによって定義されます。たとえば、802.11aの場合、パイロットサブキャリアは-21、-7、7、および21です。
What makes it different than the regular data on a sub-carrier?
パイロットトーンの内容を受信機が正確に把握している点が異なります。キャリアオフセット、シンボル（タイミング）オフセット、チャネル効果（例：マルチパス）などによって引き起こされるノイズと歪み以外の不確実性はありません。
How can it be used to determine symbol starts and ends?
循環シフト（「バレル」シフトと呼ばれることもあります）は、FFTに位相オフセットを生成します。サイクリックプレフィックスは、タイムシフトを循環シフトにする正確な目的のために、シンボルの最後に付加します。したがって、逆FFTが実行されると、すべての時間オフセットがすべてのチャネルに位相オフセットを作成します。パイロットトーンが何であるかが正確にわかっているため、位相オフセット（元のシンボルの時間オフセットに対応）を検出して修正できます。
If I understand the answers above correctly, a cyclic prefix can be used to find the
symbol start/end because it will auto-correlate with some delay.
繰り返しますが、これは自己相関の問題ではなく、逆FFTが時間シフトを位相シフトに変換して、パイロットチャネルを使用して検出できることです。
However, the cyclic-prefix exists in order to "absorb" ISI. So if the prefix has been
munged with ISI, then how can this auto-correlation be successful?
マルチパスがないと、OFDM信号にISIはありません。彼らが心配しなければならない唯一のISIは、プライマリ信号と干渉する遅延マルチパス信号がある場合です。これらは意図的にサイクリックプレフィックスを「通常の」マルチパス遅延よりも長くするため、ほとんどの場合、無傷のFFTに相当する破損していないデータが存在します。
同期は実際の通信システムでは重要なタスクですが、OFDMの理論とは直接関係ありません。
実際の通信システム（IEEE 802.11や802.3など）は、いわゆるフレームを交換します。これは、いくつかのフィールドで構成されており、異なる特定のタスクを実行します。通常、フレームの最初のフィールドは、いわゆるプリアンブルです。これは、
プリアンブルは通常、最小限のオフピーク自己相関を持つバイナリコードであるBarkerシーケンスで構成されます。このコードは必ずしもOFDM変調である必要はありませんが、使用可能な周波数帯域内の単一のキャリアでBPSK変調される場合があります。レシーバーは、サンプルの着信ストリームに整合フィルターを適用します。一致したフィルターの出力が特定のしきい値を超える場合は、着信プリアンブルを検出した可能性が非常に高いです。Barkerコードのオフピーク自己相関係数は最小であるため、マッチドフィルターの出力のピークは、フレームの後続のフィールドを受信機のFFTに合わせるために必要な情報を提供します。
プリアンブルの後、フレームの次のフィールドは通常、ある種のOFDM トレーニングシーケンスです。トレーニングシーケンスの主な目的は、同期ではなく、個々のサブキャリアのチャネル係数を推定することです。一部のプロトコルは、長いトレーニングシーケンスと短いトレーニングシーケンスを区別しますが、長いトレーニングシーケンスは、プリアンブルと短いトレーニングシーケンスがフレームの残りの部分に拡散された直後に見つかります。一般的に、受信者は事前に知っています
チャネル係数は、環境内のノードや障害物の移動性により時間とともに変化する可能性があるため、ペイロードOFDM間の短いトレーニングシーケンス（つまり、パイロットシンボル）によって達成される、いわゆるコヒーレンス時間内で再推定する必要があります。シンボル。コヒーレンス時間は、最大ドップラー拡散の逆数として概算できます。また、一部のプロトコルでは、トレーニングシーケンスは等間隔に配置された少数のサブキャリアでのみ送信され、その間にある他のすべてのサブキャリアはペイロード送信を継続します。これは、隣接するサブキャリアのチャネル係数が相互に相関しているため機能します。フェージングチャネルのコヒーレンス帯域幅は、チャネル遅延スプレッドの逆数として推定できます。
また、実際のシステムでは、パイロットシンボルは、個々のサブキャリアのSNRを推定したり、キャリア周波数オフセットの推定を実行したりするなど、他の目的にも使用できます（下記参照）。
連続するOFDMシンボルの間に挿入されるサイクリックプレフィックスの主な目的は、ISI（シンボル間干渉）とICI（キャリア間干渉）の軽減であり、シンボルの開始または終了の同期や決定ではありません。
マルチパス伝搬のため、送信された波形の複数のコピーが異なる時刻に受信機に到着します。したがって、連続するOFDMシンボル間にガードスペースがなかった場合、送信されたOFDMシンボルは受信機で後続のOFDMシンボルと重複し、ISIが発生する可能性があります。時間領域で連続するOFDMシンボルの間にガードスペースを挿入すると、この影響が緩和されます。ガードスペースが最大チャネル遅延スプレッドよりも大きい場合、すべてのマルチパスコピーがガードスペース内に到着し、後続のOFDMシンボルに影響を与えません。ガードスペースには、ISIの影響を軽減するためにゼロが含まれる場合があることに注意してください。実際、ISIの影響を軽減するために、デジタル通信技術のガードスペースにサイクリックプレフィックスは必要ありません。
OFDMでは、マルチパス伝搬により複数の遅延コピーが受信機に到着するという条件で、サブキャリア間の直交性を維持するために、ガードスペースがサイクリックプレフィックスで埋められます。送信機でガードスペースが実際にゼロで満たされた場合、受信機に到着する複数のコピーは互いに非直交（つまり、何らかの相関がある）となり、ICIが発生します。
実際のシステムでは、送信機と受信機のキャリア周波数発振器の周波数にわずかなオフセットがあるため、時間の経過とともに位相ドリフトが発生します。さらに、実際の発振器のパワースペクトル密度は理想的なデルタ関数ではないため、位相ノイズが発生します。位相ノイズはCFOを連続的に変化させ、位相ドリフトの速度と方向を変化させます。受信機を受信信号に再同期化する、つまり入力信号の位相を追跡するさまざまな手法があります。これらの技法は、信号内のパイロットシンボルの存在をさらに活用し、および/またはブラインド推定および相関技法を適用することができる。
また、ソフトウェア無線のオープンソースOFDMフレームワークも維持しています。これは、上記のMatlabコードで説明されている手法をカバーしています。
Deve＆Jim Clayの優れた反応をおおまかに要約すると、
シンボル同期は2つの異なるタスクで構成されます。シンボル境界が近似されるラフシンボル同期と、ラフ同期がわずかに調整されるファインシンボル同期です。多くの場合、細かい同期は計算負荷が少ないため、チャネルの変更を調整するためにより頻繁に実行できます。
パイロットシンボルは、トランスミッターとレシーバーに既知の特別な事前定義シンボルであり、時間領域でシンボルを検索することにより、大まかな同期を行うことができます（「自己相関」）。
サブキャリアの位相は、ウィンドウごとに予測可能な方法で変化する必要があります。たとえば、BPSKでは、位相は0またはpiラジアンから、あるウィンドウから次のウィンドウへの期待値から離れている必要があります。さまざまなウィンドウ位置を試し、複数のサブキャリアをテストすることにより（ノイズ耐性を向上させるため）、大まかなシンボル同期を実現できます。これは「エキゾチック」な方法です。
先頭に接頭辞が付けられたシンボルの続きである循環接頭辞は、自動相関による細かい相関に使用できます。
パイロットトーンは、事前に選択された特定のサブキャリアです。彼らは特定の繰り返しパターンを運ぶ。それらはチャネル推定に使用され、さらに微同期にも使用できます。