[论文解读] 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 36

一句话总结

该论文提出了一种基于位置的同频点干扰（ICI）消除方法，用于高移动性SIMO-OFDM中的 CE-BEM，使得 pilot 无ICI并通过速度无关的 pilot 模式提升基于压缩感知的信道估计。

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.

研究动机与目标

• 在大多普勒引起的 ICI 下的高移动 OFDM 中实现可靠信道估计的动机。
• 利用列车位置信息将有效通道系数集从 KL 缩减到 L。
• 开发一种面向 CE-BEM 的 ICI 消除技术，在每个接收天线处得到 ICI-free pilot。
• 设计一个最小化平均相干性的 pilot 模式以提升基于 CS 的信道估计精度。
• 确保最优 pilot 模式与列车速度、多普勒移位或接收天线数量无关。

提出的方法

• 用基展开模型 (BEM) 对高移动信道建模，并在给定的列车位置处显示主导系数的 S-稀疏性。
• 具体化为复指数 BEM（CE-BEM）以获得严格带状的频域表示。
• 推导一个基于位置的 CE-BEM ICI 消除技术，通过置换将通道化简为主对角形式，从而得到 ICI-free 的 pilot。
• 将低相干的压缩感知 Pilot 设计问题形式化以最小化平均相干度，并提出一个低复杂度算法（Algorithm 1）用于找到全局最优的 pilot 模式 w*。
• 证明最优 pilot 模式 w* 与速度、多普勒、接收天线数量和列车位置无关。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用位置信息缓解高移动性 SIMO-OFDM 中由大多普勒移位引起的 ICI？
• RQ2 是否可以通过基于置换的方法在接收端实现 CE-BEM 基信道的 ICI-free？
• RQ3 哪种 pilot 设计能最小化平均相干度以提高高移动场景下基于 CS 的信道估计？
• RQ4 是否存在一个全局最优的 pilot 模式，与列车速度、多普勒或天线数量无关？
• RQ5 所提方案对可变移动性和系统参数的鲁棒性如何？

主要发现

• 通过利用列车位置，可以消除 CE-BEM 的 ICI，从而在每个接收天线处获得 ICI-free 的 pilot。
• 在 CE-BEM 下，主导通道成为一个置换后的对角矩阵，通过子载波置换实现 ICI-free 接收。
• 最优 pilot 模式与速度、多普勒、接收天线数量以及位置无关，允许存储并使用单一全局模式。
• 该 pilot 设计降低了系统平均相干性，在无需保护导频的情况下提升了基于 CS 的信道估计精度。
• 仿真结果证实对高移动性的鲁棒性，并展示所提出的 ICI 消除与 pilot 设计带来的性能提升。