[論文レビュー] Compressed Channel Estimation with Position-Based ICI Elimination for High-Mobility SIMO-OFDM Systems

Xiang Ren, Meixia Tao+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2020

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 31被引用数 36

ひとこと要約

論文は高機動性SIMO-OFDMにおけるCE-BEMの位置ベースICI排除法を導入し、ICIなしのパイロットと速度非依存のパイロットパターンを用いた改善された圧縮感知チャネル推定を実現する。

ABSTRACT

Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) is widely adopted for providing reliable and high data rate communication in high-speed train systems. However, with the increasing train mobility, the resulting large Doppler shift introduces intercarrier interference (ICI) in OFDM systems and greatly degrades the channel estimation accuracy. Therefore, it is necessary and important to investigate reliable channel estimation and ICI mitigation methods in high-mobility environments. In this paper, we consider a typical HST communication system and show that the ICI caused by the large Doppler shift can be mitigated by exploiting the train position information as well as the sparsity of the conventional basis expansion model (BEM) based channel model. Then, we show that for the complex-exponential BEM (CE-BEM) based channel model, the ICI can be completely eliminated to get the ICI-free pilots at each receive antenna. After that, we propose a new pilot pattern design algorithm to reduce the system coherence and hence can improve the compressed sensing (CS) based channel estimation accuracy. The proposed optimal pilot pattern is independent of the number of receive antennas, the Doppler shifts, the train position, or the train speed. Simulation results confirms the performance merits of the proposed scheme in high-mobility environments. In addition, it is also shown that the proposed scheme is robust to the respect of high mobility.

研究の動機と目的

• 高ドップラー誘起ICIの下での高機動性OFDMにおける信頼性の高いチャネル推定を動機づける。
• 鉄道位置情報を活用して有効チャネル係数集合をKLからLへ縮小する。
• CE-BEMのICI排除手法を開発し、各受信アンテナでICIなしのパイロットを生み出す。
• 平均コヒーレンスを最小化するパイロットパターンを設計し、CSベースのチャネル推定精度を高める。
• 最適パイロットパターンが列車速度、ドップラーシフト、受信アンテナ数に依存しないことを保証する。

提案手法

• 高機動性チャネルを基底展開モデル(BEM)でモデル化し、所定の列車位置で支配係数のS-スパース性を示す。
• 複素指数BEM(CE-BEM)に特化し、厳密な帯域状表現を得る。
• CE-BEMに対する位置ベースICI排除手法を導出し、並べ替えで支配的な対角形にチャネルを圧縮し、ICIなしパイロットを得る。
• 平均コヒーレンスを最小化する低コヒーレンス圧縮感知パイロット設計問題を定式化し、グローバル最適パターンw*を求める低計算量アルゴリズム（Algorithm 1）を提案する。
• 最適パイロットパターンw*が速度、ドップラー、受信アンテナ数、列車位置に依存しないことを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高機動性SIMO-OFDMにおける大きなドップラーシフトに起因するICIを位置情報を用いてどのように抑制できるか。
• RQ2 CE-BEMベースのチャネルを置換ベースのアプローチで受信機側ICIなしにできるか。
• RQ3 高機動環境でCSベースのチャネル推定を改善するために平均コヒーレンスを最小化するパイロット設計は何か。
• RQ4 列車速度、ドップラー、アンテナ数に依存しない全体最適なパイロットパターンは存在するか。
• RQ5 提案方式は変動する機動性やシステムパラメータにどれだけ頑健か。

主な発見

• ICIは列車位置を利用することでCE-BEMのICIを排除でき、各受信アンテナでICIなしのパイロットを得る。
• CE-BEMの下では支配的なチャネルは置換された対角行列となり、サブキャリアの置換でICIなし受信を実現。
• 最適パイロットパターンは速度、ドップラー、受信アンテナ数、位置に依存せず、単一のグローバルパターンを保存して使用できる。
• パイロット設計はシステム平均コヒーレンスを低減し、ガードパイロットを必要とせずCSベースのチャネル推定精度を向上させる。
• シミュレーション結果は高機動性への頑健性を裏付け、提案したICI排除とパイロット設計による性能向上を示す。