Low overhead doubly selective channel estimation in MIMO and cascaded OFDM transmissions

• Main Author: Canonne-Velasquez, Loïc
• Other Authors: Tho Le-Ngoc (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2011
• Subjects: Engineering - Electronics and Electrical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=103605

Emerging wireless networks are being increasingly asked to deliver larger amounts of data to high speed mobile users which experience time- and frequency-selective channels (doubly selective channels). Multiple Input Multiple Output (MIMO) and cooperative relaying have been developed to satisfy the demand by increasing diversity; however, the performances of MIMO and cooperative relaying are highly dependent on the accuracy of Channel State Information (CSI) to maximize their effectiveness. Doubly selective channel estimation complicates the task of obtaining reliable CSI due to the numerous rapidly changing unknown channel parameters required to be estimated. This thesis uses a Basis Expansion Model (BEM) based doubly selective channel estimation to develop low pilot overhead methods for emerging systems with Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). The objective is to minimize performance losses due to the outdated CSI problem encountered by high speed mobile users. First, a BEM-based doubly selective channel estimation is analyzed for MIMO systems. Estimators are derived under Fisher and Bayesian frameworks to appraise different BEMs. To ensure the optimality of the estimation process, the Mean Squared Error (MSE) value of estimated BEM coefficients is compared to the Cramér-Rao Bound (CRB) and Bayesian CRB (BCRB) in their respective frameworks. Simulation results show that the BEMs appropriately model the spatially uncorrelated doubly selective MIMO channel with different system settings and alleviate the problem of outdated CSI. Then, a cooperative single relaying system model is considered. Instead of estimating separately the source-to-relay and relay-to-destination channels, the cascaded channel is estimated only at the destination by using the concept of effective fading gains to represent the source-to-relay-to-destination link. An equivalent representation of the cascaded doubly selective channels is derived followed by a parameterization of the channel with the BEMs. It is shown through simulation results that the BEMs provide a good fit for the cascaded channel and a Bit Error Rate (BER) comparable to the case with perfect CSI is attainable with the proposed estimation method. Lastly, multiple relays are added to increase diversity. Similarly to the single relay case, a mathematical model for the cascaded doubly selective channels with multiple relays is presented. Unlike the case of single relays, the multiple relay case incurs a rank deficiency problem during the estimation process. To avoid this problem, time-varying relay gains are used during the estimation portion of the transmission frame. Simulation results emphasize the tradeoff that exists between diversity and estimation accuracy for a fixed pilot overhead. BER and MSE results are provided to illustrate the advantages brought by the use of the BEMs. === Les réseaux sans-fils émergents doivent êtres capables de satisfaire la demande pour les quantités de données qui ne cesse d'accroître. Cette demande provient de plus en plus d'usagers hautement mobiles qui éprouvent des canaux à évanouissement temporellement variable et progressif de fréquences (doublement sélectif). Les systèmes à Entrées Multiples, Sorties Multiples (MIMO) et relai coopératif ont été développés pour satisfaire à cette demande; cependant, leurs performances dépendent fortement de l'exactitude de l'Information sur l'État du Canal (CSI) afin de maximiser leurs efficacités. L'estimation du canal doublement sélectif complique la tâche d'obtenir précisément le CSI puisque de nombreux paramètres du canal qui varient rapidement doivent être estimés. Ce mémoire de thèse utilise une estimation du canal doublement sélectif fondée sur le Modèle à Expansion de Bases (BEM) pour développer des méthodes à bas surdébit pour les systèmes sans-fils émergents avec Multiplexage par Répartition Orthogonal de la Fréquence (OFDM). L'objectif est d'amoindrire les pertes de rendement provoquées par le problème de CSI désuet rencontré par les usagers mobiles se déplaçant à grande vitesse.Premièrement, une méthode utilisant le BEM est développée pour estimer un canal MIMO doublement sélectif. Des estimateurs sont dérivés dans les cadres de Fisher et de Bayes pour permettre d'évaluer la performance de différents BEMs. Afin d'assurer l'optimalité du processus d'estimation, l'Erreur Quadratique Moyenne (MSE) des coefficients estimés du BEM est comparée à la Borne de Cramér-Rao (CRB) et la CRB Bayésienne (BCRB) dans leurs cadres respectifs. Les résultats des simulations démontrent que les BEMs modèlent correctement le canal MIMO spatialement non corrélé doublement sélectif avec différents paramètres du système et soulagent le problème de CSI désuet. Ensuite, un système d'amplification-et-retransmission (AF) coopératif avec un relai est considéré. Au lieu d'estimer individuellement les canaux source-à-relai et relai-à-destination, le canal en cascade est éstimé uniquement à la destination en utilisant le concept de gains d'évanouissement effectifs pour représenter le canal source-à relai-à destination. Pour réduire le nombre d'inconnus à estimer, le canal en cascade équivalent est paramétrisé à l'aide de BEMs. Il est démontré à travers les résultats des simulations que les BEMs modélisent efficacement le canal en cascade et qu'un Taux d'Erreurs sur les Bits (BER) comparable au cas avec CSI parfait est attaignable en utilisant la méthode d'estimation proposée. Finalement, plusieurs relais sont ajoutés au système précédent pour augmenter la diversité. Similairement au cas avec un seul relai, un modèle mathématique du canal doublement sélectif en cascade équivalent avec plusieurs relais est présenté. Contrairement au cas avec un seul relai, l'estimation du canal avec plusieurs relais encourt un problème de déficience de rang. Pour éviter ce problème, des gains variables dans le temps sont utilisés aux relais pendant la période d'estimation de la trame de transmission. Les résultats de simulations soulignent le compromis qui existe entre la diversité et l'exactitude de l'estimation pour un surdébit fixe d'ondes pilotes. Les résultats de BER et MSE sont fournis pour illustrer les avantages apportés par l'utilisation des BEMs.