Оценка начала OFDM блока и частотного сдвига в системе ieee 802. 11a

Оценка начала OFDM-блока и частотного сдвига в системе IEEE 802.11 а

Ключевые слова:

частотный сдвиг, ОЕйМ-блок, стандарт 1ЕЕЕ 802.11а, спектральная эффективность, функция правдоподобия

Исследованы методы оценки начала блока данных и частотного сдвига в системах OFDM. Представлена структура преамбулы стандарта IEEE802.11 а. Предложены новые обучающие последовательности, и произведено сравнение их эффективности совместно со стандартными обучающими последовательностями.

Бочечка Г.С.,

аспирант МТУСИ

Введение

В настоящее время одним из наиболее перспективных решений в области высокоскоростной передачи данных по радиоканалу является использование технологии OFDM (ортогональное частотное разделение каналов). Такой подход позволяет достичь высокой спектральной эффективности системы связи и эффективно бороться с многолучевыми замираниями в радиоканале. При OFDM высокоскоростной поток данных разбивается на большое число низкоскоростных потоков, каждый из которых передается в своем частотном канале (на своей поднесущей частоте). Высокая спектральная эффективность обеспечивается достаточно близким расположением частот соседних под-несущих колебаний, которые генерируются совместно так, чтобы сигналы всех поднесущих были ортогональны.

Для правильной демодуляции принятого сигнала необходимо, чтобы на блок ДПФ поступали отсчеты отдельных OFDM-символов, т.е. возникает необходимость выделения из принятого сигнала целых OFDM-блоков.

Критическим недостатком OFDM является его чувствительность к смещению частоты несущей. Частотный сдвиг (ЧС) OFDM-сигнала приводит к потере ортогональности между подне-сущими отдельных OFDM-символов, что в свою очередь приводит к ошибкам демодуляции принятого сигнала. Поэтому, оценка ЧС в приемни-

ке должна быть выполнена очень точно.

Предложено несколько методов оценки ЧС для ОРРМ-систем. В [1] предлагается высокоэффективный алгоритм оценки, в котором используются только немодулированные (виртуальные) поднесущие. Однако, этот метод имеет высокую вычислительную сложность и недостаток в потере опознаваемости, когда используется в системах с одним входом и одним выходом. В [2] предлагается схема оценки ЧС в два этапа: грубая и точная оценка. Точная оценка выполнена во временной области, а грубая оценка получена за счет взаимной корреляции между двумя последовательными ОРРМ-бло-ками в частотной области. Этот метод имеет высокую вычислительную сложность. В [3] предлагается использование нескольких одинаковых частей в пределах одного обучающего ОРРМ-блока для оценки ЧС большего чем интервал между поднесущими. Однако, доступный диапазон оценки ограничен 2-3 интервалами между поднесущими.

Существует несколько методов временной оценки, одни методы используют корреляцию между одинаковыми частями преамбулы ОРРМ-блока [2], другие — корреляцию между циклическим префиксом (ЦП) и конечной частью ОРРМ-символа [4].

Предлагается, не меняя структуры стандартной преамбулы, использовать новые обучающие последовательности в преамбуле системы стандарта 1ЕЕЕ 802.11а. В качестве методов оценки используются алгоритмы, основанные на вычислении максимума функции правдоподобия.

Описание системы

Комплексные отсчеты ОРРМ-символа во временной области {¿(^^формируются с помощью Мточечного обратного дискретного преобразования Фурье от блока информационных символов {¡(к )} принадлежащих КАМ или ФМ-созвездию

1 N-1

x(n) u(k )exp{j 2nkn / V},

Vv k=o

где п = 0,1,..., N - 1, N — длина обратного дискретного преобразования Фурье. ОРРМ-сим-вол имеет продолжительность Т, соответствующую N отсчетам. После ОБПФ к ОРРМ-сим-волу добавляется циклический префикс, который используется для уменьшения межсимволь-ной интерференции (МСИ). Результирующий символ задается следующим образом:

xг(n)=

x(V + n), n = —Vg, -Vg +1, ..., —1 x(n), n = 0,1, ..., V — 1

где

Ng — длина ЦП. Отсчеты {. (n)}

далее

g t-Vv

передаются через частотно-избирательный канал, который в дискретной эквивалентной форме имеет конечную импульсную характеристику h(l), длиной N.

Предполагая, что ЦП устраняет МСИ, комплексные отсчеты принятого демодулированно-го сигнала r(n) с периодом Ts = T/N могут быть выражены как [5]:

г(п) = ефе>2п{"+1'гчт)с/ы (т)(п - т) + У(п),

т=0

где п = 0,1,..., N - 1, N — длина дискретного преобразования Фурье, Nym — длина ОРРМ-символа с ЦП, є — частотное смещение, нормированное к расстоянию между поднесущи-ми частотами, ф — случайный коэффициент фазы несущей, и V (п) — комплексные отсчеты шума в виде Гауссовского процесса с нулевым средним и дисперсией О^.

Структура преамбулы стандарта ІЕЕЕ 802.11а

Преамбула вставляется перед каждым блоком данных и используется для обучения приемника, тактовой синхронизации, оценки час-

У

Рис. 1. Структура преамбулы стандарта 1ЕЕЕ 802.11а

тоты и оценки канала. Структура преамбулы, используемой в стандарте 1ЕЕЕ 802.11а. представлена на рис.1, она содержит 12 символов, 10 из которых — короткие обучающие символы (КОС), и два длинные обучающие символы (ДОС). Короткие символы применяются для обучения приемника, тактовой синхронизации и грубой частотной оценки. Длинные символы позволяют точно измерять частоту несущей и параметры канала [6].

КОС являются обычными ОРРМ-символа-ми, использующими только 12 поднесущих (±2, ±6, ±10, ±14, ±18, и ±22), задаются в частотной области с помощью последовательности

Sк-26 26 =7(13/6) {0, 0, 0, 0, -1+1, 0, 0, 0, 1+, 0,

0, 0, Ц 0, 0, 0, -1-1, 0, 0, 0, -1+1, 0, 0, 0, -1-1, 0, 0, 0, -1+1, 0, 0, 0, -1-1, 0, 0, 0, -1+1, 0, 0, 0, -1-1, 0, 0, 0, 1-1, 0, 0, 0, 1+1, 0, 0, 0, 0}.

Блок из четырех символов КОС во временной области может быть получен с помощью 64-точечного ОБПФ от представления символов в частотной области. Пятый символ КОС добавляется с помощью повторения во временной области.

ДОС также являются обычным ОРРМ-сим-волами, которые используют по 52 поднесу-щих. Эти символы модулируются последовательностью, которая в частотной области имеет вид:

5д = {1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, 1,

1, Ч2-6,'2!6, 1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1,

Функция правдоподобия

Алгоритм оценки начала ОРРМ-блока 0 и частоты є основан на вычислении максимума функции правдоподобия, имеющей следующий вид [4]:

Л

где знак ^ означает аргумент комплексного числа

£мп (в) = + n

in

ємп =- 0 ^Уг(вмп).

В основном, на оценки 0 и є влияет функция 7(0), ее фаза пропорциональна є, в то время как ее амплитуда имеет пики в момент времени в.

Оценка начала ОРРМ-блока и частоты в системе ІЕЕЕ 802.11 а

Оценка начала ОРРМ-блока и частоты производится в два этапа: грубая и точная оценка. Для грубой оценки начала ОРРМ-блока используется выражение [7]:

m~rjY —1

Y(m) = X r(n) • r*(n + N),

n=m

1 m+K-1

E(m)=^ X 1 r(n)|2+1 r(n+N)|2,

n=m

где j(m) — автокорреляция между одинаковыми отсчетами в интервале наблюдения, который состоит из 2N + K отсчетов принятого сигнала; E(m) — энергетическая компонента функции правдоподобия Л(т); р = —- —

коэффициент, учитывающий отношение сигнал/шум в канале связи; r(n) — отсчеты комплексной огибающей принятого сигнала; m = 0, N, N — количество отсчетов в OFDM-символе без защитного интервала; K — количество отсчетов в обучающем символе; SNR [дБ] — отношение сигнал/шум в канале связи.

Максимизация функции правдоподобия может быть выполнена в два этапа: max Л(в, е) = max max Л( в, е) =

= max Л(в, £мп (в)) в

Максимум относительно частотного сдвига получается когда косинусоидальный член в (4) равняется единице, то есть, когда 2пе + /у(в) = n • 2п, где n целое число.

вг = argmax{

в

Так как функция косинуса периодическая, может быть найдено несколько максимумов. Далее предполагаем, что частотный сдвиг грубо оценен, поэтому

соз(2пёмп (в) +¿7(0)) =1, (81

функция правдоподобия становится Л

и одновременное оценивание в и е становится

вмп = а^тах{ |7

N^-1

-i £r

"щс-1 i

/. |г(в + т • Nкос + п + Nкос ^

где М<0с — количество отсчетов в КОС, М = 10 — число КОС. Для грубой оценки частоты используется выражение:

1

in -Т,

-а^1е{^ £ г(вТ+т Ыкос + п)г*х

Тк0С т=0 п=0

х(0г + т • N кос + п + ^кос)}

где Гкос — длительность КОС.

Для точной оценки частоты используется выражение:

1 ^ос-1 _

£т =-ang1e{ ^ г'(вг +160 + 32 + п) г' *х

2п • тдос „=о

х(вг +160 + 32 + п + Nдос)'}

где 7дОС — длительность ДОС, N,

Дос

коли-

чество отсчетов в ДОС, (вг +160 + 32) начало символа ДОС, г(*) — принятый сигнал, скорректированный грубой оценкой частоты.

Для точной оценки начала ОРРМ-блока используется выражение:

вт = argmax{

в

£ г"

где р(п) — известный в приемнике ДОС, г"(*) — принятый сигнал, скорректированный точной оценкой частоты.

Новые обучающие символы

В данной статье предлагается использовать в качестве обучающих символов — символы составленные из идеальных многофазных последовательностей Фрэнка и Задова-Чу [8].

Последовательность Фрэнка

Элементы последовательности Фрэнка длиной N = М2 определяются как:

=0

У

Стандарт

Фрэнк

Задов-Чу

08

0 6

Й- 0 4

>ч

=1

02

©

Ьй

<

0 8

06

I 0 4

с;

>>

ч

02

•

Рис. 2. Модуль нормированной АКФ КОС Стандарт

1

Є < 0 8

20

Фрэнк

20

Задов-Чу

0 6

04

0 2

• ІпМм «"»АЛ

в І 0 8

5 0 6

04

02

;

....  _ X іудгіГ'

50

100

50

100

Рис. 3. Модуль нормированной АКФ ДОС

Рис. 5. Зависимость СКО точной оценки начала ОРРМ-блока от отношения сигнал/шум в канале

12

10

х 10

?10

1

Задов-Чу

1

10 20 30 40

Сигнал/Шум. дБ

50

60

Рис. 6. Зависимость СКО грубой оценки частотного Рис. 7. Зависимость СКО точной оценки частотного

сдвига от отношения сигнал/шум в канале сдвига от отношения сигнал/шум в канале

„ ¡2к• пк/М

= е ,

п, к = 0,1,..., М-1

Последовательность Задова-Чу

Элементы последовательности Задова-Чу длиной N определяются как:

1еп(п-1)!/ ж, N - четное п,.

хп = -!

\е1%и'п (п-1)/N, N - нечетное

где и — целое число взаимно простое с N п = 1,2,...,М

Отношение пиковой к средней мощности (ОПСМ) ОРРМ-сигнала

ОПСМ =

тах[х(п) • х (п)] Е[х(п) • х (п)]

передающего стандартный КОС равно 1,33. ОПСМ ОРРМ-сигнала, передающего КОС, составленный из последовательностей Фрэнка и Задова-Чу, равно 1. ОПСМ ОРРМ-сигнала, передающего стандартный ДОС, равно 1,23. ОПСМ ОРРМ-сигнала, передающего ДОС, составленный из последовательностей Фрэнка и Задова-Чу, равно 1.

На рис. 2 представлены модули нормированных автокорреляционных функций стандартного КОС и КОС, составленного из последовательностей Фрэнка и Задова-Чу. Величина боковых лепестков модуля нормированной автокорреляционной функции у стандартного КОС достигает 0,35, а у КОС Фрэнка и Задо-ва-Чу не превышает 0,1.

На рис. 3 представлены модули нормированных автокорреляционных функций стандартного ДОС и ДОС, составленного из последовательностей Фрэнка и Задова-Чу. Величина боковых лепестков модуля нормированной автокорреляционной функции у стандартного ДОС достигает 0,28, а у ДОС Фрэнка и Задова-Чу не превышает 0,07.

Лучшие корреляционные свойства последовательностей Фрэнка и Задова-Чу могут позволить более точно оценивать начало ОРРМ-блока.

Моделирование

На рис. 4 и 5 представлены зависимости средней квадратичной ошибки (СКО) грубой и точной оценок начала ОРРМ-блока от отношения сигнал/шум в канале. Для вычисления СКО произведено 104 испытаний. Данные зависимости показывают, что последовательности Фрэнка и Задова-Чу дают меньшую ошибку оценки начала ОРРМ-блока по сравнению со стандартной последовательностью.

На рис. 6 и 7 представлены зависимости

х

л

СКО грубой и точной оценок частотного сдвига от отношения сигнал/шум в канале. Для вычисления СКО произведено 104 испытаний. Все последовательности дают одинаковые ошибки оценки частотного сдвига.

Заключение

В данной статье дан обзор методов оценки начала ОРРМ-блока и частотного сдвига для ОРРМ-систем. ОРРМ-сигнал, передающий предложенные обучающие последовательности, имеет меньшее отношение пиковой к средней мощности. Также последовательности Фрэнка и Задова-Чу позволяют более точно оценить начало ОРРМ-блока. Использование новых обучающих последовательностей в системе 1ЕЕЕ 802.11а позволит снизить вероятность битовой ошибки в приемнике.

Литература

1. Ufuk Tureli, Patrick J. Honan, Hui Liu. Low-Complexity Nonlinear Least Squares Carrier Offset Estimator for OFDM: Identifiability, Diversity and Performance. IEEE Transactions on signal processing. — V52. — №9, September 2004. — РР 2441-2452.

2. Timothy M. Schmidl and Donald C. Cox. Robust frequency and timing synchronization for OFDM. IEEE Transactions on Communications. — V45. — №12, December 1997. — PR1613-1621.

3. Morel li M, Mengali U. An improved frequency offset estimator for OFDM applications. IEEE Communications Letters. — V3. — №3, March 1999. — RR 75-77.

4. Jan-Jaap van de Beek, Magnus Sandd l, Per Ola Borjesson, ML Estimation of Timing and Frequency Offset n Multicarrier Systems. Div. of Signal Processing Lulea

University of Technology, April 1996.

5. Wu Yun, Luo Harnwen, Ding Ming, Yan Chong-guang. A high performance frequency offset estimator for OFDM. Journal of Zhejiang University SCIENCE A. — V.7. — №12, 2006. — PP 2104-2109.

6. IEEE 802.11a. Supplement to IEEE Standard for Information technology Telecommunications and information exchange between systems — Local and metropolitan area networks — Specific requirements. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications. High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band, 1999.

7. Shulan Feng, Heather Zheng, Haiguang Wang, Jinnan Liu, Philipp Zhang. Preamble Design for Noncontiguous Spectrum Usage in Cognitive Radio Networks. IEEE Wireless Communications and Networking Conference, April 2009.

8. Nadav Levanon, Ei Mozeson. Radar signals. Wiley-IEEE, 2004. —411 p.

Прорыв в области защиты электронной почты и веб-безопасности: McAfee представляет новое устройство

Компания McAfee, Inc. представила решение McAfee Email and Web Security Appliance 5.5, призванное помочь пользователям защититься от новейших угроз, распространяемых по электронной почте и через веб-ресурсы, а также управлять трафиком электронной почты и веб-трафиком, снижая потребность в услугах администратора. Специально созданное для представителей малого и среднего бизнеса (SMB), данное аппаратно-программное решение предоставляет удобный способ обеспечить защиту электронной почты и веб-безопасность на базе одного устройства.

Новые устройства McAfee для обеспечения веб-безопасности и защиты электронной почты обладают следующими особенностями:

• Интеграция технологий Artemis и TrustedSource(TM): Это первое устройство McAfee, использующее глобальные технологии анализа угроз Artemis и TrustedSource, наиболее точные и удобные системы определения угроз во всем мире.

• Кластеризация устройств и балансировка нагрузки: Несколько устройств могут быть объединены в кластер, разделяя области сканирования, что позволяет повысить гибкость и масштабируемость системы, а также консолидировать процессы управления и отчетности.

• Упрощенная инсталляция: Автоматическое определение конфигурации сети, а также использование удобного мастера настроек, позволяют упростить процесс установки, сократить требуемое время, а также повысить комфорт пользователей системы.

• Новые мастера настройки политики контентной фильтрации: Упрощенная процедура создания и настройки политик обработки контента, использующая новые мастера настройки и расширенные словари позволяет добиться большей гибкости системы, а также сократить количество ложных срабатываний и ошибок конфигурирования.

• Интегрированная система URL-фильтрации: Система фильтрации URL также входит в состав версии 5.5 и не требует дополнительной оплаты. Она позволяет классифицировать веб-сайты более чем по

90 категориям, обеспечивая гранулированный мониторинг использования веб-ресурсов, а также применение политик безопасности. Система фильтрации URL также включает в себя модуль McAfee Web Reporter, который позволяет упростить визуализацию использования веб-ресурсов и актуальных тенденций.

Устройства для обеспечения веб-безопасности и защиты электронной почты от McAfee демонстрируют точность детектирования спама 99% , а также дополняются технологией №1 в индустрии для определения вредоносного ПО. Благодаря интеграции с облачной технологией интеллектуального анализа угроз, работающей в реальном времени, данные устройства обеспечивают повышенный уровень определения веб-угроз и угроз, связанных с электронной почтой, еще лучше защищая клиентов компании и сокращая их расходы на обеспечение безопасности и операционную деятельность. Благодаря работе 350 аналитиков и десятков миллионов сенсоров сбора данных, глобальные исследования McAfee отличаются исключительной масштабностью.

Подход McAfee отличается отсутствием ограничений для пользователей, в результате все возможности для защиты электронной почты и веб-безопасности включены в новое решение. “Система защиты электронной почты и веб-безопасности — наша основная линия обороны, которая обеспечивает целостную защиту от вирусов во входящей почте" — сказал Роджер Норфолк, администратор и специалист по антивирусным технологиям больницы Mercy Hospital, — В прошлом месяце она отсеяла 3,3 млн. спам-писем, 76 зараженных сообщений и 32 потенциально нежелательных программы, отделив все это от 175,935 легитимных сообщений. На протяжении года устройство заблокировало более 17 млн. сообщений, показав очень низкий уровень ложных срабатываний".

Данные решения доступны клиентам на территории России и СНГ.