Channel estimation and ICI cancellation for adaptive OFDM systems in doubly selective channels

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine Studie über die Leistungsfähigkeit des OFDM- Systems in zeitvarianten Kanälen mit Mehrwegeausbreitung durchgeführt, unterstützt durch mathematische Analyse und Simulation in MATLAB sowie die Messung des OFDM- Signals, um eine neue Kanalschätzung und Entzerrungsalgorithmen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und zur Verringerung des Rechenaufwandes zu entwickeln. In dieser Arbeit werden zwei Reduzierungsmethoden der Inter-Carrier-Interferenz (ICI) für das System Digital Radio Mondiale (DRM) erläutert und weiter entwickelt. Aufgrund der langen Symboldauer des DRM, leidet dieses Übertragungssystem unter ho- hen ICI. In der Literatur wird diesem System weniger Aufmerksamkeit geschenkt als den anderen Anwendungen des OFDM-Systems. Es werden Vorschläge für neue Algorithmen gemacht, die mit geringer Komplexität zur Reduktion von ICI für das OFDM-basierte DRM-System in den schnellen zeitvari- anten Kanälen geeignet sind. Diese Algorithmen verwenden die Angleichung der Zeitvari- ation des Kanals mit Hilfe von numerischen Methoden, wie der Newton- und Lagrange- Polynome-Angleichung. Die Algorithmen nutzen die begrenzte Anzahl von Koeffizienten in der Kanalimpulsantwort (engl. CIR). In der Arbeit wird eine andere Methode mit geringer Komplexität für DRM-Systeme erläutert. Sie basiert auf einer Vorverarbeitung des empfangenen Signals im Zeitbereichs, um das Signal-Rausch-plus-Interferenz-Verhältnis (SNIR) so zu erhöhen, dass Entzer- rungsschemen mit geringer Komplexität anwendbar werden. Es wird ein Hamming- Fenster verwendet, um die Kanal-Matrix auf verschiedene Doppler-Spread Werte dünn besetzt zu machen. Die Verbesserung der Fähigkeiten des Empfängers in den zeitvarianten Kanälen ist nicht ausreichend für eine zuverlässige Kommunikation. Um eine zuverlässige Kom- munikation und einen breiten Bereich von Anwendungen für unterschiedliche Nutzer zu erzielen, sind einige weitere ÄAnderungen für das gesamte System erforderlich, wie die Anpassung des Systems an langfristige Änderungen des Kanals. In der Disser- tation wird eine Methode für die Anpassung des Zeit-Interpolators des Schätzers auf der Empfängerseite vorgeschlagen. Bei dieser Methode folgt der Schätzer den kurz- und langfristigen Veränderungen des Kanals und passt den Grad der Polynom Angle- ichung Methode an die Zeit-Interpolation an, um die Bit-Fehler-Rate (BER) als Gegen- stand der Verarbeitungsverzögerung und der Komplexität zu minimieren. Weiterhin wer- den zwei Link-Anpassungsmethoden für OFDM-basiertes WLAN-System vorgeschlagen. Die erste ist die Cyclic-Präfixlänge-Anpassung, bei der die langfristige Veränderung der Kanalverzögerung mit dem Root-MUSIC Algorithmus geschätzt und dann für die Anpas- sung der Guard Interval (GI) verwendet wird. Die zweite Methode befasst sich mit dem adaptiven Pilot-Distribution, wobei die Distanz zwischen den Piloten in der Zeit und Frequenz der Doppler- und Delay-Variationen-Verbreitung des Kanals entspricht. Das Ziel dieser Methoden ist eine ErhÄohung der KapazitÄat des Systems.

One of the major aspects of the emerging wireless communication systems is the use of the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) as a modulation scheme for data transmission. This is motivated by its ability to work efficiently in multi-path channels. However, the system suffers in time-varying channels from the performance degradation and the increase of computational complexity. Throughout this thesis, a study of the performance degradation of OFDM systems in multipath time-varying channels is carried out supported with mathematical analysis, simulation in MATLAB as well as measurements of the OFDM signals, in order to find new and robust channel estimation and equalization algorithms capable to enhance the performance, and reduce the computational effort. In this thesis some inter-carrier interference (ICI) reduction methods for digital radio mondiale (DRM) system, which is one of OFDM system applications, are introduced. As a consequence of its long symbol duration, DRM system suffers from high ICI even with medium vehicle speeds. However, in the literature, this system got less attention than other OFDM applications. A Wiener filtering channel estimation algorithm for DRM system is introduced in this thesis. To reduce the model mismatch, the estimator makes use of a combined Matrix pencil delay estimation algorithms and Wiener filtering. New low complexity algorithms used for reducing the ICI for OFDM-based DRM system in rapidly time-variant channels are proposed. These algorithms make use of approximating the time variation of the channel by means of numerical methods, such as Newton and Lagrange polynomial approximation. Instead of using the channel transfer function (CTF) for the approximation, the methods exploit the limited number of taps in the channel impulse response (CIR). Another low complexity estimation method for DRM system is introduced. The method applies a time domain preprocessing at the received signal to maximize the signal-to-noise plus interference ratio (SNIR), and aiming at making the channel matrix sparse so that low complexity equalization algorithms become applicable. The Gaussian shaped Doppler spectrum of the DRM system is considered in implementing this algorithm. In addition, a modified Hamming window is applied in order to squeeze the channel matrix for different squeezing factors and Doppler spread values. In case of mobile scenarios, improving the receiver capabilities is not enough to achieve a reliable communication. In order to deliver a wide range of applications to different users, some further modifications for the entire system are required, such as adapting the system parameters according to the long-term variation of the channel. Some adaptive methods are introduced in this thesis. A method of adapting the time interpolator of the estimator at the receiver is proposed in which the estimator tracks the short and long-term variations of the channel, and then adapts the degree of the polynomial approximation used for time interpolation, aiming at minimizing the bit-error rate (BER) subject to prescribed processing delay and complexity. On the other hand, two link adaptation methods for OFDM-based WLAN system are proposed. The first one is cyclic prefix length adaptation algorithm in which the long-term variation of the delay spread is estimated using root multiple signal classification (root-MUSIC) algorithm, which then used to adapt the guard interval (GI) length of the transmitted signal. The second method deals with adapting the pilot distribution. The pilot separations in time and frequency are adapted according to the Doppler and delay spread variations of the channel, aiming at maximizing the throughput of the system without significantly sacrificing the BER performance.