New approaches for channel estimation in wireless communications

Abstract

This thesis first proposes a conputationally efficient, pilot-aided linear minimum mean square error (MMSE) batch channel estimation algorthm for the orthogonal frequency division multiplexing OFDM systems in unkonown 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 algortihm. The performance of the proposed approaches is studied through analytical and experimental result. Then, in order to explore the performances, the stochastic Cramer- Rao lower bounds are considered for the proposed approaches . The effect of a modelling mismatch on the performance 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. Simulations result 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.

Bu tez öncelikle, sönümlemeli, telsiz iletişim kanalı etkisi altındaki dik sıklık bölüşümlü çoğalma (OFDM) sistemleri için, işlem yükü az, pilot destekli doğrusal en küçük ortalama karesel hata (MMSE) toptan kanal kestirimci algoritması önerir. Toptan doğrusal MMSE kanal kestirimcisi, hızlı yakınsaması ve basit bir yapıya sahip olmasından dolayı fiziksel doğrusal MMSE kestirimcisine dönüştürülecektir. Bunun yanısıra, bu tez; frekans seçici kanallar üzerinden iletişim 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 kez, sönümlemeli , telsiz iletişim kanalı etkisi altındaki verici çeşitlemeli OFDM sistemleri içinde 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 çok yollu sönümlemeli kanallı elverişli gösterilmine olanak tanır ve ilişkisiz KL açılım katsayılarının MMSE kestirim değerlerini bulur. Böylece bir açılıma göre, önerilen MMSE kestirimcilerine matris evriğine gereksinim yoktur . Bunun ötesinde, uygun kerte indirgemesi, kestirim algoritması üzerinde daha küçük bir işlem yükü doğuran KL açılımının uygun kısaltılabilmesi 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 hastasının 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 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.