New approaches for channel estimation in wireless communications

Abstract

Bu tez öncelikle, sönümlemeli, telsiz iletişim kanalı etkisi altındaki dik sıklık bölüşümlü çoğullama (OFDM) sistemleri için, işlem yükü az, pilot destekli doğrusal en küçük ortalama karesel hata (MMSE) toptan kanal kestirimcisi algoritması önerir. Toptan doğrusal MMSE kanal kestirimcisi, hızlı yakınsaması ve basit bir yapıya sahip olmasından dolayı dizisel doğrusal MMSE kestirimcisine dönüştürülecektir. Bunun yanısıra, bu tez; frekans seçici kanallar üzerinden iletim sağlayan verici çeşitlemeli OFDM sistemlerine odaklanarak, zaman düzleminde, hem uzay-zaman hem de uzay-frekans çeşitlemeli OFDM sistemleri için bir kanal kestirim yaklaşımı ortaya koyma amacını taşımaktadır. Ayrıca bu tez, sönümlemeli, telsiz iletişim kanalı etkisi altındaki verici çeşitlemeli OFDM sistemleri için de işlem yükü az, pilot destekli doğrusal en küçük ortalama karesel hata (MMSE) zaman düzlemi kanal kestirimcisi algoritması önerir. Önerilen toptan yaklaşımlar (verici çeşitlemeli yada çeşitlemesiz), Karhunen Loeve (KL) dik açılımına dayanan, ayrık çokyollu sönümlemeli kanalı elverişli gösterilimine olanak tanır ve ilişkisiz KL açılım katsayılarının MMSE kestirim değerlerini bulur. Böyle bir açılıma göre, önerilen MMSE kestirimcilerinde matris evriğine gereksinim yoktur. Bunun ötesinde, uygun kerte indirgemesi, kestirim algoritması üzerinde daha küçük bir işlem yükü doğuran KL açılımının uygun kısaltılabilme özelliğinin kullanılması ile başarılır. Önerilen yaklaşımların başarımları analitik ve deneysel sonuçlarla incelenmektedir. Daha sonra, başarımları araştırmak için önerilen yaklaşımlar için stokastik Cramer-Rao alt sınırları ele alınmaktadır. Modelleme hatasının kestirimcilerin başarımları üzerindeki etkileri analiz edilmektedir. Verici çeşitlemeli OFDM sistemlerinin başarımını araştırmak için en yüksek oran alınan sinyal birleştiricisi (MRRC) için ortalama sembol hata olasılığının (SER) çıkartımı da yapılmaktadır. Benzetim sonuçları kuramsal sonuçlarımızı doğrulamakta, verici çeşitlemeli veya çeşitlemesiz OFDM sistemleri için önerilen kanal kestirim algoritmaları sırasıyla hızlı sönümlemeli ve frekans seçici sönümlemeli kanalları izlemekte ve bütün sistemin başarımını arttırmaktadır.

This thesis first proposes a computationally efficient, pilot-aided linear minimum mean square error (MMSE) batch channel estimation algorithm for the orthogonal frequency division multiplexing OFDM systems in unknown wireless fading channels. The batch linear MMSE will be converted to the sequential linear MMSE estimator due to fast convergence property and the simple structure. In addition to OFDM systems, focusing on transmit diversity (OFDM) transmission through frequency selective channels, this thesis pursues a channel estimation approach in time-domain for both space-frequency OFDM (SF-OFDM) and space-time OFDM (ST-OFDM) systems. This thesis also proposes a computationally efficient, pilot-aided linear minimum mean square error (MMSE) time domain batch channel estimation algorithm for OFDM systems with transmit diversity in unknown wireless fading channels. The proposed batch approaches (with or without transmit diversity) employ a convenient representation of the discrete multipath fading channel based on the Karhunen Loeve (KL) orthogonal expansion and finds MMSE estimates of the uncorrelated KL series expansion coefficients. Based on such an expansion, no matrix inversion is required in the proposed MMSE estimators. Moreover, optimal rank reduction is achieved by exploiting the optimal truncation property of the KL expansion resulting in a smaller computational load on the estimation algorithm. The performance of the proposed approaches is studied through analytical and experimental results. Then, in order to explore the performances, the stochastic Cramer-Rao lower bounds are considered for the proposed approaches. The effect of a modeling mismatch on the performances of the estimator is also analyzed. In order to explore the performance of the transmit diversity OFDM systems, the closed-form expression for the average symbol error rate (SER) probability is also derived for the maximum ratio receive combiner (MRRC) in these systems. Simulation results confirm our theoretical analysis, and illustrate that the proposed channel estimation algorithms for OFDM systems with and without transmit diversity are capable of tracking fast fading and frequency selective fading, respectively and improving overall performance.