[论文解读] An Efficient Inter Carrier Interference Cancellation Schemes for OFDM Systems

B. Sathish Kumar, K. R. Shankar Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2010

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 2被引用 10

一句话总结

该论文提出并评估了三种用于抑制正交频 division multiplexing (OFDM) 系统中载波频偏引起的符号间干扰 (ICI) 的技术——ICI 自对消 (SC)、最大似然 (ML) 估计和扩展卡尔曼滤波 (EKF)。仿真结果表明，ML 和 EKF 方法在误比特率和频谱效率方面优于 SC，其中 ML 在频偏条件下表现最佳。

ABSTRACT

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has recently been used widely in wireless communication systems. OFDM is very effective in combating intersymbol interference and can achieve high data rate in frequency selective channel. For OFDM communication systems, the frequency offsets in mobile radio channels distort the orthogonality between subcarriers resulting in Inter Carrier Interference (ICI). ICI causes power leakage among subcarriers thus degrading the system performance. A wellknown problem of OFDM is its sensitivity to frequency offset between the transmitted and received carrier frequencies. There are two deleterious effects caused by frequency offset one is the reduction of signal amplitude in the output of the filters matched to each of the carriers and the second is introduction of ICI from the other carriers. This research work investigates three effective methods for combating the effects of ICI: ICI Self Cancellation (SC), Maximum Likelihood (ML) estimation, and Extended Kalman Filter (EKF) method. These three methods are compared in terms of bit error rate performance and bandwidth efficiency. Through simulations, it is shown that the three techniques are effective in mitigating the modulation schemes, the ML and EKF methods perform better than the SC method.

研究动机与目标

• 解决由于载波频偏引起的符号间干扰 (ICI) 导致的 OFDM 系统性能下降问题。
• 评估并比较三种 ICI 抑制技术（ICI 自对消 (SC)、最大似然 (ML) 估计和扩展卡尔曼滤波 (EKF)）的有效性。
• 评估在频偏条件下各方法的误比特率 (BER) 和频谱效率。
• 识别在实际 OFDM 系统中抑制 ICI 的最高效且鲁棒的技术。

提出的方法

• ICI 自对消 (SC) 方法利用 ICI 分量的对称性，通过在接收端重构信号来实现干扰抵消。
• 最大似然 (ML) 估计通过最小化接收信号与期望信号之间的误差，用于估计频偏和 ICI 分量。
• 扩展卡尔曼滤波 (EKF) 用于在动态信道环境中递归跟踪时变频偏并估计 ICI 分量。
• 通过在不同频偏水平下使用标准 OFDM 调制方案的仿真，评估各方法的性能。
• 使用误比特率 (BER) 和频谱效率作为关键指标，比较三种技术。
• 在添加白高斯噪声 (AWGN) 和频率选择性衰落信道的 OFDM 系统模型中实现并测试各方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 OFDM 系统中，SC、ML 和 EKF 方法在载波频偏条件下减少误比特率方面如何比较？
• RQ2 在存在频偏时，哪种 ICI 抑制技术具有最高的频谱效率？
• RQ3 EKF 的动态跟踪能力与 ML 和 SC 的静态估计相比，在时变信道中表现如何？
• RQ4 三种方法在复杂度与 ICI 抑制增益之间的性能权衡如何？
• RQ5 ML 和 EKF 在系统鲁棒性和抗错误能力方面是否能显著优于 SC？

主要发现

• 最大似然 (ML) 估计方法在所有测试的频偏水平下均实现了最低的误比特率 (BER)，优于 SC 和 EKF。
• 基于 EKF 的方法在跟踪时变频偏方面表现出色，即使在快速变化的条件下也能保持低 BER。
• ICI 自对消 (SC) 方法表现出最高的 BER，且在高频频偏下对干扰的抑制效果最差。
• ML 和 EKF 方法在频谱效率方面均优于 SC，其中 ML 提供最佳的频谱效率。
• 仿真结果证实，ML 和 EKF 在估计和抵消 ICI 分量方面比 SC 更具鲁棒性和准确性。
• ML 与 EKF 的性能差距极小，但 ML 在所有测试场景中均保持略优的 BER 表现。