[논문 리뷰] Position Based Compressed Channel Estimation and Pilot Design for High Mobility OFDM Systems

Xiang Ren, Wen Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 01.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 32인용 수 51

한 줄 요약

이 논문은 위치 기반의 고이동성 채널 모델과 결합된 파이롯 배치 및 파이롯 심볼 설계 방법을 제시하여 고속 시나리오에서 OFDM에 대한 압축센싱 기반 채널 추정을 가능하게 하고, 도플러로 유발된 ICI 하에서 추정 정확도를 향상시킨다.

ABSTRACT

With the development of high speed trains (HST) in many countries, providing broadband wireless services in HSTs is becoming crucial. Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) has been widely adopted for broadband wireless communications due to its high spectral efficiency. However, OFDM is sensitive to the time selectivity caused by high-mobility channels, which costs large spectrum or time resources to obtain the accurate channel state information (CSI). Therefore, the channel estimation in high-mobility OFDM systems has been a long-standing challenge. In this paper, we first propose a new position-based high-mobility channel model,in which the HST's position information and Doppler shift are utilized to determine the positions of the dominant channel coefficients. %In this way, we can reduce the estimation complexity and to design the transmitted pilot.Then, we propose a joint pilot placement and pilot symbol design algorithm for compressed channel estimation. It aims to reduce the coherence between the pilot signal and the proposed channel model, and hence can improve the channel estimation accuracy. Simulation results demonstrate that the proposed method achieves better performances than existing channel estimation methods over high-mobility channels. Furthermore, we give an example of the designed pilot codebook to show the practical applicability of the proposed scheme.

연구 동기 및 목표

• 고속 열차와 같은 고이동성 환경에서 OFDM에 대한 신뢰할 수 있는 CSI 획득의 필요성을 고취한다.
• GPS 위치와 도플러 이동을 활용하여 지배적인 채널 계수를 위치로 매핑하는 위치 기반 고이동성 채널 모델을 제안한다.
• CS 일관성(coherence)을 최소화하고 추정 정확도를 높이기 위한 결합 파이롯 배치 및 파이롯 심볼 설계 알고리즘을 개발한다.
• 시뮬레이션을 통해 가능성과 성능 향상을 입증하고 실제 파이롯 코드북 예를 제공한다.

제안 방법

• 고이동성 채널에 대한 희소성을 갖는 지연-도플러 도메인 채널 모델을 정의한다.
• 도플러 편이가 지배적 계수 위치에 맵핑되는 위치 기반 채널 구조를 도입한다.
• comb 타입 파이롯과 지배적 채널 사전 Phi_x를 이용한 압축 센싱 기반 추정기를 공식화한다.
• 추정된 채널을 이용해 데이터에 의해 유발된 ICI를 반복적으로 빼서 ICI를 완화한다.
• mu_delta{X_d(p) Phi_x}를 최소화하도록 파이롯 위치와 심볼 파워를 공동으로 선택하는 일관성 최적화 파이롯 설계 문제를 개발한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GPS 위치와 속도 정보를 어떻게 활용하여 고이동성 OFDM 채널에서 지배적 채널 계수를 예측할 수 있는가?
• RQ2 파이롯 배치와 파이롯 심볼의 공동 최적화가 CS 일관성을 감소시키고 고이동성 시나리오에서 채널 추정 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 파이롯 기반 CS 채널 추정에서 ICI의 영향과 이를 반복적으로 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ4 제안된 위치 기반 모델은 추정 성능 측면에서 기존의 고이동성 채널 모델과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 위치 기반 모델은 지위와 도플러에 연계된 소수의 집합에 지배적 채널 계수를 제한하여 지연-도플러 공간에서 S-희소 채널을 얻는다.
• 측정 행렬과 지배적 채널 사전 사이의 일관성 mu_delta를 최소화하여 CS 복구를 향상시키는 결합 파이롯 배치 및 파이롯 심볼 설계 방법.
• 추정된 채널을 사용해 데이터로 유발된 ICI를 제거함으로써 추정을 추가로 향상시키는 ICI 완화 방법.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 방법이 고이동성 채널에서 기존 방법보다 더 나은 성능을 달성함을 나타낸다.
• 이_scheme의 실용적 적용 가능성을 보여주기 위해 예시 파이롯 코드북이 제공된다.