[논문 리뷰] Compressed Channel Estimation with Position-Based ICI Elimination for High-Mobility SIMO-OFDM Systems

Xiang Ren, Meixia Tao외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 01.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 31인용 수 36

한 줄 요약

논문은 고속 이동 시 SIMO-OFDM에서 CE-BEM에 대한 위치 기반 ICI 제거 방법을 도입하여 ICI가 없는 파일럿과 속도에 관계없는 파일럿 패턴을 통한 압축 센싱 채널 추정 성능 향상을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 큰 도플러로 유발된 ICI 하의 고속 이동 OFDM에서 신뢰할 수 있는 채널 추정을 촉진한다.
• 기차 위치 정보를 활용해 유효 채널 계수 집합을 KL에서 L로 축소한다.
• CE-BEM용 ICI 제거 기법을 개발하여 각 수신 안테나에서 ICI가 없는 파일럿을 생성한다.
• 평균 코히런스를 최소화하는 파일럿 패턴을 설계하여 CS 기반 채널 추정 정확도를 높인다.
• 최적의 파일럿 패턴이 기차 속도, 도플러 이동, 또는 수신 안테나 수에 독립적임을 보장한다.

제안 방법

• 고속 이동 채널을 베이스 확장 모델(BEM)로 모델링하고 특정 기차 위치에서 지배 계수의 S-희소성을 보인다.
• 복소지수 CE-BEM으로 특수화하여 엄격한 대역형 주파수 영역 표현을 얻는다.
• 위치 기반 ICI 제거 기법을 CE-BEM에 대해 도출하여 채널을 순열이 있는 지배 대각 형태로 축소하고 ICI가 없는 파일럿을 얻는다.
• 평균 코히런스를 최소화하기 위한 저-코히런스 압축 센싱 파일럿 설계 문제를 형식화하고 전역 최적의 파일럿 패턴 w*를 찾기 위한 저복잡도 알고리즘(Algorithm 1)을 제안한다.
• 최적의 파일럿 패턴 w*가 속도, 도플러, 수신 안테나 수, 기차 위치에 독립적임을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고속 이동 SIMO-OFDM에서 큰 도플러 이동으로 인한 ICI를 위치 정보를 사용하여 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ2 순열 기반 접근법으로 수신 측에서 CE-BEM 기반 채널을 ICI-free로 만들 수 있는가?
• RQ3 고속 이동 시나리오에서 CS 기반 채널 추정 개선을 위한 평균 코히런스를 최소화하는 파일럿 설계는 무엇인가?
• RQ4 기차 속도, 도플러 이동, 또는 안테나 수에 의존하지 않는 전역 최적 파일럿 패턴이 존재하는가?
• RQ5 제안된 스킴은 가변 이동성 및 시스템 매개변수에 대해 얼마나 견고한가?

주요 결과

• I CI는 기차 위치를 활용함으로써 CE-BEM의 ICI를 제거할 수 있으며 각 수신 안테나에서 ICI가 없는 파일럿을 얻을 수 있다.
• CE-BEM 하에서 지배 채널은 순열된 대각 행렬이 되어 서브캐리어 순열로 ICI 없는 수신을 가능하게 한다.
• 최적의 파일럿 패턴은 속도, 도플러, 수신 안테나 수 및 위치에 독립적이므로 하나의 전역 패턴을 저장하고 사용할 수 있다.
• 파일럿 설계가 시스템 평균 코히런스를 감소시켜 그로 인해 가드 파일럿이 필요 없이 CS 기반 채널 추정 정확도를 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과는 고속 이동성에 대한 강건성을 확인하고 제안된 ICI 제거 및 파일럿 설계로 인한 성능 이점을 보여준다.