وفقی‌سازی توأمان الگوی پایلوت و تخمین کانال در سیستم‌های OFDM

نوع مقاله : مقاله پژوهشی فارسی

نویسندگان

گروه ارتباطات و فناوری اطلاعات، دانشکده فنی و مهندسی رسانه، دانشگاه صداوسیما، تهران، ایران

چکیده

در سیستم‌های مخابراتی بی‌سیم که امروزه کاربرد گسترده‌ای یافته است، تغییرات فرکانسی و زمانی کانال یکی از مشکلات اساسی است؛ از این رو مسأله تخمین کانال و جبران اثرات آن چالشی کلیدی در این سیستم‌ها محسوب می­شود. تکنیک OFDM به دلیل مقاومت در برابر فرکانس­گزینی، بهره‌وری فرکانسی و نرخ ارسال بالا مورد توجه قرار دارد. تخمین کانال بر مبنای پایلوت از پرکاربردترین روش‌هاست که در بسیاری از سیستم‌های OFDM از جمله شبکه­های موبایل و استانداردهای پخش صدا و ویدیوی دیجیتال استفاده شده است. تعداد و آرایش پایلوت‌ها در صفحه زمان- فرکانس تاثیر مستقیم در دقت و سرعت فرآیند تخمین کانال مخابراتی دارد. در ارتباطات واقعی از آرایش پایلوت ثابتی استفاده می‌شود که معمولاً با فرض شرایط نوعی برای محوشوندگی کانال طراحی می­گردد. این امر منجر به سربار پایلوت غیرضروری در وضعیت خوب کانال (نزدیک به محوشوندگی کند و تخت) و همچنین تخریب عملکرد در بدترین وضعیت کانال می‌شود. لذا در تحقیقات پیشین، پیشنهاد وفقی‌سازی آرایش پایلوت‌ها بر اساس پاسخ کانال مطرح شده است. در واقع یافتن بهترین آرایش پایلوت متناسب با پاسخ کانال، یک مسأله بهینه‌سازی است که رویکرد وفقی به دنبال دستیابی به پاسخ آن است. در این پژوهش روش جدیدی برای وفقی‌سازی آرایش پایلوت‌ها بر اساس فیلتر کالمن ارائه و با الگوریتم تخمین کانال ترکیب شده است. بدین ترتیب در روش پیشنهادی، محل پایلوت‌ها و پاسخ کانال توأم با یکدیگر تخمین زده می‌شود. این روش در شرایط  مختلف کانال شبیه‌سازی شده و عملکرد آن با معیارهای نرخ خطای بیت (BER) و درصد سربار پایلوت ارزیابی گردیده است. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد روش پیشنهادی با درصد سربار پایلوتی کمتر از روش‌های موجود به عملکردی مشابه دست می‌یابد که متناظر با افزایش ظرفیت انتقال داده به میزان قابل توجهی است.

کلیدواژه‌ها


[1]          Y. Liu, Z. Tan, H. Hu, L. J. Cimini, and G. Y. Li, “Channel Estimation for OFDM,” IEEE Commun. Surv. Tutorials, vol. 16, no. 4, pp. 1891– 1908, 2014.
[2]          S. Coleri, M. Ergen, A. Puri, and A. Bahai, “Channel Estimation Techniques Based on Pilot Arrangement in OFDM Systems,” Proc. IEEE 56th Veh. Technol. Conf., vol. 48, no. 3, pp. 223–229, 2002.
[3]          L. U. Khan, S. A. Mahmud, G. M. Khan, M. H. Zafar, and M. Ashraf, “Channel Estimation based on Non-Equally Spaced Pilot Allocation in OFDM System,” in 6th Computer Science and Electronic Engineering Conference (CEEC), 2014, pp. 139–143.
[4]          F. Salman, J. Cosmas, and Y. Zhang, “Modelling and performance of a DVB-T2 channel estimator and equaliser for different pilot patterns,” IEEE Int. Symp. Broadband Multimed. Syst. Broadcast. BMSB, pp. 1–6, 2012.
[5]          J. Choi and Y. Lee, “Optimum Pilot Pattern for Channel Estimation in OFDM Systems,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 4, no. 5, pp. 2083–2088, 2005.
[6]          F. Sanzi and J. Speidel, “An Adaptive Two-Dimensional Channel Estimator for Wireless OFDM with Application to Mobile DVB-T,” IEEE Trans. Broadcast., vol. 46, no. 2, pp. 128–133, 2000.
[7]          O. Simeone and U. Spagnolini, “Adaptive pilot pattern for OFDM systems,” IEEE Int. Conf. Commun., vol. 2, pp. 978–982, 2004.
[8]          R. C. Cannizzaro, P. Banelli, and G. Leus, “Adaptive Channel Estimation for OFDM Systems with Doppler spread,” IEEE 7th Work. Signal Process. Adv. Wirel. Commun., pp. 1–5, 2007.
[9]          A. R. Ali, A. Balalem, T. Khanzada, J. Machac, and A. Omar, “Adaptive pilot distribution for OFDM systems in time-variant channels,” Proc. 2008 Asia Pacific Microw. Conf. APMC 2008, vol. 1, no. 1, pp. 3–6, 2008.
[10]        W. M. Afifi and H. M. Elkamchouchi, “A New Adaptive Channel Estimation for Frequency Selective Time Varying Fading OFDM Channels,” Int. Conf. Comput. Eng. Syst., pp. 573–578, 2009.
[11]        J. Byun and N. P. Natarajan, “Adaptive pilot utilization for OFDM channel estimation in a time varying channel,” 2009 IEEE 10th Annu. Wirel. Microw. Technol. Conf. WAMICON 2009, no. 1, pp. 3–7, 2009.
[12]        M. Simko, P. S. R. Diniz, Q. Wang, and M. Rupp, “Power efficient pilot symbol power allocation under time-variant channels,” IEEE Veh. Technol. Conf., pp. 1–11, 2012.
[13]        M. Karami and N. C. Beaulieu, “Channel adaptive power allocation and pilot optimization for OFDM systems,” GLOBECOM - IEEE Glob. Telecommun. Conf., pp. 4893–4898, 2012.
[14]        M. Simko, P. S. R. Diniz, Q. Wang, and M. Rupp, “Adaptive pilot-symbol patterns for MIMO OFDM systems,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 12, no. 9, pp. 4705–4715, 2013.
[15]        Y. Kim, G. Miao, and T. Hwang, “Energy efficient pilot and link adaptation for mobile users in TDD multi-user MIMO systems,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 13, no. 1, pp. 382–393, 2014.
[16]        C. Rezgui and K. Grayaa, “An enhanced channel estimation technique with adaptive pilot spacing for OFDM system,” Int. Symp. Networks, Comput. Commun. ISNCC, pp. 1–4, 2016.
[17]        N. Ksairi, B. Tomasi, and S. Tomasin, “Pilot pattern adaptation for 5G MU-MIMO wireless communications,” IEEE Work. Signal Process. Adv. Wirel. Commun. SPAWC, pp. 1–6, 2016.
[18]        Z. Sheng, H. D. Tuan, Y. Fang, H. H. M. Tam, and Y. Sun, “Data rate maximization based power allocation for OFDM System in a high-speed train environment,” 2015 IEEE Glob. Conf. Signal Inf. Process. Glob. 2015, no. 2, pp. 265–269, 2016.
[19]        R. M. Rao, V. Marojevic, and J. H. Reed, “Adaptive Pilot Patterns for CA-OFDM Systems in Nonstationary Wireless Channels,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 67, no. 2, pp. 1231–1244, 2018.
[20]        P. Sure and C. Mohan, “A survey on OFDM channel estimation techniques based on denoising strategies,” Eng. Sci. Technol. an Int. J., vol. 20, no. 2, pp. 629–636, 2017.
[21]        A. M. Khan, V. Jeoti, and M. A. Zakariya, “Improved Pilot – based LS and MMSE Channel Estimation using DFT for DVB-T OFDM Systems,” IEEE Symp. Wirel. Technol. Appl., pp. 120–124, 2013.
[22]        M. Morelli and U. Mengali, “A Comparison of Pilot-Aided Channel Estimation Methods for OFDM Systems,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 49, no. 12, pp. 3065–3073, 2001.
[23]        O. M. Elbadri and A. S. Elbarsha, “Kalman-Filter Channel Estimator for OFDM System In Time-Varying Channel,” Univ. Benghazi-Al-Adab J., vol. 23, pp. 92–95, 2016.
[24]        J. Rinne and M. Renfors, “Pilot Spacing In Orthogonal Frequency Division Multiplexing Systems On Practical Channels,” IEEE Trans. Consum. Electron., vol. 42, no. 4, pp. 959–962, 1996.
[25]        D. Manolakis, V. Ingle and S. Kogon, Statistical and Adaptive Signal Processing, Artech House, 2005.
[26]         S. K. Wang and D. C. Chang, “Pilot-aided channel estimation methods for ICI reduction in mobile OFDM systems,” 6th IEEE Consum. Commun. Netw. Conf. CCNC, pp. 1–5, 2009