[论文解读] FDM-Structured Preamble Optimization for Channel Estimation in MIMO-OQAM/FBMC Systems

Wenfeng Liu, Da Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 23被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种用于MIMO-OQAM/FBMC系统的FDM结构导频优化方法，旨在在发射功率约束下最小化信道估计均方误差（MSE）。对于两根天线，推导出闭式最优导频；对于更多天线，采用QCQP松弛法获得次优解，在所有信噪比（SNR）范围内均实现了比传统方法更低的MSE和误比特率（BER），同时减少了导频开销。

ABSTRACT

In this paper, we consider the problem of preamble design in multiple-input multiple-output (MIMO) systems employing offset quadrature amplitude modulation based filter bank multicarrier (OQAM/FBMC) and propose a preamble optimization method for the frequency division multiplexing (FDM)-structured preamble. Specifically, we formulate an optimization problem to determine the frequency division multiplexed preambles, where the objective is to minimize the mean square error (MSE) of the channel estimation, subject to the constraint on the transmit energy. For two transmit antennas, we find the relationship between preambles and the intrinsic interference from neighboring symbols to achieve the minimum channel estimation MSE, and derive the optimal closed-form solution. For more than two transmit antennas, the constrained preamble optimization problem is nonconvex quadratic. Therefore, we convert the original optimization problem into a quadratically constrained quadratic program (QCQP) and obtain the suboptimal solution by relaxing the nonconvex constraint. Simulation results demonstrate that, in terms of MSE and bit error rate (BER) performances, the proposed method outperforms the conventional FDM preamble design method at all signal-to-noise ratio (SNR) regimes and outperforms the interference approximation method-complex (IAM-C) preamble design method at low to medium SNR regimes with lower preamble overhead.

研究动机与目标

• 解决MIMO-OQAM/FBMC系统中导频设计的挑战，其中固有干扰和多天线干扰会降低信道估计性能。
• 克服传统OFDM导频设计的局限性，由于OQAM/FBMC具有实数域正交性和固有的虚部干扰，传统方法不适用。
• 与干扰近似法（IAM-C）相比，尤其在多于两根发射天线的系统中，显著降低导频开销。
• 优化FDM结构导频，以在时不变、频率选择性衰落信道中最小化MSE，同时满足发射能量约束。
• 为两根天线系统提供闭式解，为更大规模MIMO配置提供基于松弛QCQP的次优解。

提出的方法

• 建立一个约束优化问题，以在总发射能量约束下最小化信道估计的MSE。
• 对于两根发射天线，通过分析导频与相邻符号引起的固有干扰之间的关系，推导出闭式解。
• 对于多于两根天线，将非凸二次优化问题重新表述为二次约束二次规划（QCQP）。
• 通过特征值分解和变量变换，松弛非凸约束，获得次优解。
• 利用变换多路复用器响应矩阵V和合并导频向量d，表达SFB输出端的导频能量，实现高效计算。
• 通过矩阵B的酉变换和特征值分解，推导出最优导频向量为a = B⁻¹w，其中w由信道响应导出。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在满足发射功率约束的前提下，优化MIMO-OQAM/FBMC系统的导频设计，以最小化信道估计MSE？
• RQ2 在存在固有虚部干扰的情况下，两根天线MIMO-OQAM/FBMC系统的最优导频结构是什么？
• RQ3 如何有效近似并求解多于两根天线时的非凸导频优化问题？
• RQ4 与IAM-C相比，所提出的FDM结构导频在保持或提升估计精度的同时，能将开销降低多少？
• RQ5 在不同SNR范围内，所提方法在MSE和误比特率（BER）方面实现了多大的性能增益？

主要发现

• 对于两根发射天线，所提方法通过显式考虑相邻符号引起的固有干扰，实现了闭式最优导频，从而最小化MSE。
• 对于多于两根天线，QCQP松弛方法获得的次优但有效的导频设计显著降低了计算复杂度。
• 仿真结果表明，所提方法在所有SNR范围内均优于传统FDM导频设计，MSE和BER表现更优。
• 在低至中等SNR水平下，所提方法的BER性能优于IAM-C方法，且导频开销更低。
• 该方法通过每根天线仅需三个导频列，显著降低了频谱效率损失，而IAM-C的开销随天线数线性增加。
• 推导出的最优导频向量为a = B⁻¹w，仅依赖于原型滤波器，可实现变换多路复用器响应矩阵的高效预计算。