[论文解读] Position Based Compressed Channel Estimation and Pilot Design for High Mobility OFDM Systems

Xiang Ren, Wen Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2020

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 32被引用 51

一句话总结

本文提出一种基于位置的高机动性信道模型和一个联合导频放置与导频符号设计的方法，以实现 OFDM 在高速场景中的压缩感知信道估计，在多普勒引起的ICI下提高估计精度。

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.

研究动机与目标

• 在高速列车等高机动环境中推动可靠的 CSI 采集用于 OFDM。
• 提出一种基于位置的高机动信道模型，利用 GPS 位置和多普勒移位来定位主导信道系数。
• 开发一个联合导频放置与导频符号设计算法，以最小化 CS 相干性并提高估计精度。
• 通过仿真验证可行性与性能提升，并提供一个实用的导频码本示例。

提出的方法

• 为高机动信道定义带稀疏性的时延-多普勒域信道模型。
• 引入一种基于位置的信道结构，其中多普勒移位映射到主导系数的位置。
• 提出一种基于压缩感知的估计器，使用梳状型导频和主导信道字典 Phi_x。
• 通过使用估计的信道迭代减去数据引起的 ICI 以缓解 ICI。
• 开发一个相干性优化的导频设计问题，联合选择导频位置和符号功率以最小化 mu_delta{X_d(p) Phi_x}。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用 GPS 位置和速度信息来预测高机动性 OFDM 信道中的主导信道系数？
• RQ2 联合优化导频放置和导频符号是否能降低 CS 相干性并在高机动场景中提高信道估计精度？
• RQ3 ICI 对基于导频的 CS 信道估计有何影响，如何迭代地进行缓解？
• RQ4 提出的基于位置的模型在估计性能方面与现有的高机动信道模型相比如何？

主要发现

• 所提出的基于位置的模型将主导信道系数约束为与位置和多普勒相关的一小组，导致时延-多普勒域中的 S-稀疏信道。
• 一个联合导频放置和导频符号设计的方法最小化测量矩阵与主导信道字典之间的相干性 mu_delta，改善 CS 估计。
• 通过使用估计的信道去除数据引起的 ICI 来进一步提升估计性能。
• 仿真结果表明，在高机动信道中所提出的方法比现有方法具有更好性能。
• 提供了一个示例导频码本，以说明该方案的实际可行性。