Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2023, № 7 · RADIO ENGINEERING

Time synchronization in the fifth-generation mobile radio system

M. Assaf1, O.G. Ponomarev1

1 Tomsk State University, Tomsk, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2023.7.10 UDC 621.376 EDN EMYRFU

Abstract

In this paper, the issue of time synchronization between the base station and user equipment in a fifth-generation cellular communication system is considered. In order to reduce the complexity of the current method of estimating the start symbol offset, a modification of the algorithm is proposed, in which the cross-correlation is computed in parallel for each DMRS (Demodulation Reference Signal) symbol. Furthermore, calculating the cross-correlation for each DMRS symbol allows for the development of a new method of estimating the sampling frequency offset based on the time interval estimation between two consecutive DMRS signals at the output of the matched filter. It is demonstrated that using a parabolic interpolation of the local regions around the correlation peak at the matched filter outputs yields an accurate estimation of the temporal distance between the received DMRS signals. Numerical simulation results show that the suggested technique can estimate the sampling frequency offset with an accuracy of less than 1 ppm over the entire range of signal-to-noise ratio values.

  • 5G mobile communication
  • DMRs
  • Sampling frequency offset
  • CP-OFDM
  • start symbol offset
Аннотация (на русском)

Временная синхронизация в системе мобильной радиосвязи пятого поколения

В статье рассматривается проблема временной синхронизации в приемном и передающем устройствах системы сотовой связи пятого поколения. Для снижения вычислительной сложности существующего метода оценки смещения начального символа предложена модификация алгоритма, в которой кросс-корреляция вычисляется параллельно для каждого символа DMRS (от англ. Demodulation Reference Signal). Кроме того, вычисление кросс-корреляции для каждого сигнала DMRS позволяет разработать новый метод оценки смещения частоты дискретизации, основанный на оценке временного интервала между двумя последовательными DMRS сигналами на выходе согласованного фильтра. Показано, что использование параболической аппроксимации локальных областей вокруг корреляционных пиков на выходе согласованных фильтров обеспечивает точное измерение временного расстояния между принятыми DMRS-сигналами. Результаты численного моделирования показали, что использование предлагаемого метода обеспечивает оценку смещения частоты дискретизации с точностью не хуже 1 ppm во всем диапазоне значений отношения сигнал/шум.

For citation

Assaf M., Ponomarev O.G. Time synchronization in the fifth-generation mobile radio system // Journal of Radio Electronics. – 2023. – No. 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.7.10

References

  1. ETSI TS 138 211 V15.2.0 Technical specification, Release 15 // European Telecommunications Standards Institute. - Sophia Antipolis, 2018. - URL: https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3213.
  2. Yin J. L. et al. A novel network resolved and mobile assisted cell search method for 5G cellular communication systems // IEEE Access. - 2022. - V. 10. - P. 75331-75342. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3191357.
  3. ETSI TR 138 912 V15.0.0 Technical specification, Release 15 // European Telecommunications Standards Institute. - Sophia Antipolis, 2018. - URL: https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3213.
  4. Nogami H., Nagashima T. A frequency and timing period acquisition technique for OFDM systems // Proceedings of 6th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications IEEE. - 1995. - V. 27. - P. 1010-1015. https://doi.org/10.1109/PIMRC.1995.477096.
  5. Van de Beek J. J., Sandell M., Borjesson P. O. ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems // IEEE transactions on signal processing. - 1997. - V. 45. - P. 1800-1805. https://doi.org/10.1109/78.599949.
  6. Del Castillo-Sanchez E. et al. Joint time, frequency and sampling clock synchronization for OFDM-based systems // 2009 IEEE Wireless Communications systems and Networking Conference. -2009. - P. 1-6. https://doi.org/10.1109/WCNC.2009.4917776.
  7. Briggs E., Nutter B., McLane D. Sample clock offset detection and correction in the LTE downlink // Journal of Signal Processing Systems. - 2012. - V. 69. - P. 31-39. https://doi.org/10.1007/s11265-011-0643-5.
  8. Yuan J., Torlak M. Joint CFO and SFO estimator for OFDM receiver using common reference frequency // IEEE Transactions on Broadcasting. - 2016. - V. 62. - №. 1. - P. 141-149. https://doi.org/10.1109/TBC.2015.2492470.
  9. Sliskovic M. Sampling Frequency Offset Estimation and Correction in OFDM Systems // Proceedings of the IEEE. - 2001. - P. 437-440. https://doi.org/10.1109/ICECS.2001.957773.
  10. Chen B., Wang H. Blind estimation of OFDM carrier frequency offset via oversampling // IEEE Transactions on Signal Processing. - 2004. - V. 52. - №. 7. - P. 2047-2057. https://doi.org/10.1109/TSP.2004.828899.
  11. Jung Y. A. et al. Sampling Frequency Offset Estimation Scheme for CP-OFDM based NR side link System // Proceedings of the IEEE. - 2022. - P. 705-707. https://doi.org/10.1109/ICTC55196.2022.9952475.
  12. Пономарев О. Г., Асаф М. Компенсация смещения частоты дискретизации в восходящем канале системы сотовой связи пятого поколения // Электросвязь. - 2021. - № 10. - С. 53-59.
  13. Assaf M. Sample Clock Offset Compensation in the fifth-generation new radio Downlink / M. Assaf, O. G. Ponomarev // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. -. V. 1889. - P. 222-233. https://doi.org/10.1088/1742-596/1889/2/022091.
  14. Assaf M., Ponomarev O. G. Efficient and Low Complexity Frequency Synchronization in NR-5G Downlink // 2023 25th International Conference on Digital Signal Processing and its Applications (DSPA), Moscow, Russian Federation. - 2023. - P. 1-6. https://doi.org/10.1109/DSPA57594.2023.10113363.
  15. McCormick M. M., Varghese T. An approach to unbiased subsample interpolation for motion tracking // Ultrasonic imaging. - 2013. - V. 35. - №. 2. - P. 76-89. https://doi.org/10.1177/0161734613476176.
  16. ETSI TR 138 901 V16.1.0 Technical specification, Release 16 // European Telecommunications Standards Institute. - Sophia Antipolis, 2020. - URL: https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3173.
  17. Dantas C. F., Castro D., Panazio C. M. On enhancing the pilot-aided sampling clock offset estimation of mobile OFDM systems // Journal of Communication and Information Systems. - 2016. - V. 31. - P. 108-117. https://doi.org/10.14209/jcis.2016.10.