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Pilot Assisted and Semiblind Channel Estimation for Interleaved and Block-Interleaved Frequency Division Multiple Access

Sohl, Anja :
Pilot Assisted and Semiblind Channel Estimation for Interleaved and Block-Interleaved Frequency Division Multiple Access.
Elektrotechnik / Nachrichtentechnik / Kommunikationstechnik
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Pilot Assisted and Semiblind Channel Estimation for Interleaved and Block-Interleaved Frequency Division Multiple Access
Language: English
Abstract:

For the uplink of future mobile radio systems, Interleaved Frequency Division Multiple Access (IFDMA) is a promising multiple access scheme as, in comparison to other multiple access schemes, IFDMA offers several advantageous properties that are of special interest for uplink transmission. For example, due to the precoding of the data symbols and the allocation of distributed subcarriers to a user under consideration, the IFDMA transmission is most reliable as it provides high frequency diversity. Further, the IFDMA transmit signal exhibits a low Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) which enables the utilization of cost-efficient amplifiers in the mobile terminals. A generalization of the IFDMA scheme is the Block-Interleaved Frequency Division Multiple Access (B-IFDMA) scheme, where the precoded data symbols are transmitted on distributed blocks of neighboring subcarriers. The B-IFDMA scheme maintains the advantages of IFDMA and, at the same time, exhibits less sensitivity against carrier frequency offsets than IFDMA. One major demand in order to make use of the reliable data transmission provided by IFDMA and B-IFDMA is the estimation of the mobile radio channel with high accuracy and low pilot symbol overhead. Channel estimation for the uplink transmission with IFDMA and B-IFDMA entails new challenges as precoded data symbols are transmitted on distinct subcarriers that are distributed over the whole available bandwidth. This thesis introduces new channel estimation algorithms for IFDMA as well as B-IFDMA. First, the channel is estimated for IFDMA with the help of pilot symbols that are inserted into the data stream and evaluated at the receiver. Two different pilot insertion methods and corresponding estimation algorithms are introduced under consideration of maintaining the low PAPR of the IFDMA transmit signal and providing reliable estimation performance while consuming a low pilot symbol overhead. It is revealed that pilot assisted channel estimation for IFDMA exhibits good estimation performance but suffers from a high pilot symbol overhead. The high pilot symbol overhead is due to the transmission on distributed subcarriers in frequency domain which prevents the application of interpolation filtering in most cases. In order to avoid the high pilot symbol overhead for IFDMA channel estimation, in this thesis, also semiblind channel estimation is presented for IFDMA. The semiblind channel estimation exploits the information about the channel that is inherent to the received data signal. Thus, the application of semiblind channel estimation allows to reduce the pilot symbol overhead compared to pilot assisted channel estimation. For the semiblind estimation of frequency domain channel variations, two algorithms are introduced that take advantage of the cyclostationarity of the IFDMA signal. In order to additionally estimate the channel variations in time domain, these two algorithms are combined with a so-called decision directed estimation approach which utilizes the received data symbols as virtual pilot symbols. The analysis of the proposed semiblind channel estimation algorithms confirms their benefit in terms of pilot symbol overhead reduction compared to the introduced pilot assisted channel estimation approaches. Furthermore, it is shown that the estimation performance of semiblind channel estimation is comparable to the estimation performance of pilot assisted channel estimation in case of a low noise power. Finally, channel estimation for B-IFDMA is addressed. As B-IFDMA represents a generalization of IFDMA, the pilot assisted and semiblind channel estimation algorithms derived for IFDMA are investigated with respect to their applicability to B-IFDMA. It turns out that, due to the transmission on distributed blocks of subcarriers, B-IFDMA opens up the possibility of interpolation in frequency domain and, thus, supports the derivation of new pilot insertion methods and estimation algorithms compared to IFDMA. Further, it is revealed that semiblind channel estimation is also applicable to B-IFDMA and entails a beneficial reduction of the pilot symbol overhead.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Interleaved Frequency Division Multiple Access (IFDMA) ist ein aussichtsreiches Vielfachzugriffsverfahren für die Aufwärtsstrecke zukünftiger Mobilfunksysteme. Im Vergleich zu anderen Vielfachzugriffsverfahren bietet es wesentliche Vorteile, die vor allem für die Aufwärtsübertragung von besonderer Bedeutung sind. Aufgrund einer Vorkodierung der zu übertragenden Datensymbole und der Verwendung von verteilten Subträgern, weist die Datenübertragung mit Hilfe von IFDMA eine hohe Frequenzdiversität auf und ist aus diesem Grund äußerst zuverlässig. Weiterhin ist das Verhältnis von Spitzen- zu Durchschnittsleistung (VSDL) des Sendesignals sehr niedrig, was die Verwendung von kosteneffizienten Leistungsverstärkern in den mobilen Endgeräten ermöglicht. Eine Verallgemeinerung des IFDMA-Verfahrens ist das sogenannte Block-Interleaved Frequency Division Multiple Access (B-IFDMA)-Verfahren. Hierbei werden die vorkodierten Datensymbole auf Blöcken von benachbarten Subträgern übertragen, die über die gesamte Bandbreite des Systems verteilt sind. B-IFDMA weist die gleichen Vorteile wie IFDMA auf und ist zudem weniger anfällig gegenüber einem Versatz der Trägerfrequenz am Empfänger. Eine wesentliche Bedingung für die zuverlässige und effiziente Datenübertragung mit IFDMA und B-IFDMA ist die Schätzung des Mobilfunkkanals mit hoher Güte und geringen Kosten. Die Kanalschätzung für IFDMA und B-IFDMA innerhalb der Aufwärtsstrecke eines Mobilfunksystems bringt neue Herausforderungen mit sich, da für IFDMA und B-IFDMA vorkodierte Datensymbole auf Subträgern übertragen werden, die über die gesamte Bandbreite des Systems verteilt sind. In dieser Arbeit werden neue Algorithmen für die Schätzung des Mobilfunkkanals bei IFDMA und B-IFDMA vorgestellt. Zunächst wird der Kanal für das IFDMA-Verfahren geschätzt. Dafür werden Pilotsymbole in den zu übertragenden Datenstrom eingefügt und am Empfänger ausgewertet. Es werden zwei verschiedene Verfahren zum Einfügen von Pilotsymbolen und die jeweiligen Algorithmen zur Kanalschätzung vorgestellt. Beide Verfahren werden entwickelt, um das niedrige VSDL des Sendesignals beizubehalten und zuverlässige Schätzwerte des Kanals unter Verwendung von möglichst wenigen Pilotsymbolen zu liefern. Es zeigt sich, dass die pilotbasierte Kanalschätzung für IFDMA Schätzwerte mit hoher Güte liefert. Allerdings ist die Anzahl der benötigten Pilotsymbole groß, da die Übertragung auf verteilten Subträgern im Frequenzbereich die Anwendung von Interpolationsfiltern in den meisten Fällen unmöglich macht. Um die Anzahl der Pilotsymbole dennoch zu reduzieren, wird die semiblinde Schätzung des Mobilfunkkanals für IFDMA eingeführt. Die empfangenen Datensymbole enthalten ebenso wie die Pilotsymbole Informationen über den Mobilfunkkanal. Diese zusätzliche Information wird mit Hilfe der semiblinden Kanalschätzung genutzt, um auf diese Weise die Anzahl der verwendeten Pilotsymbole gegenüber der pilotbasierten Kanalschätzung zu reduzieren. In dieser Arbeit werden zwei verschiedene semiblinde Verfahren zur Schätzung der Veränderungen des Kanals im Frequenzbereich eingeführt. Beide Verfahren basieren auf der Nutzung der Zyklostationarität des empfangenen IFDMA Signals. Um zusätzlich die Veränderungen des Kanals im Zeitbereich zu schätzen, werden die beiden semiblinden Algorithmen mit einem sogenannten Decision-Directed Kanalschätzalgorithmus kombiniert. Dieser Algorithmus verwendet die empfangenen Datensymbole als virtuelle Pilotsymbole um der Veränderung des Kanals im Zeitbereich zu folgen. Die Auswertung der eingeführten semiblinden Kanalschätzalgorithmen bestätigt, dass die Anzahl der verwendeten Pilotsymbole im Vergleich zu pilotbasierten Kanalschätzalgorithmen reduziert werden kann. Weiterhin zeigt sich, dass die Güte der semiblinden Kanalschätzer für geringe Rauschleistungen vergleichbar mit der Güte der pilotbasierten Kanalschätzer ist. Abschließend wird die Kanalschätzung für das B-IFDMA-Verfahren vorgestellt. Da B-IFDMA als Verallgemeinerung von IFDMA verstanden werden kann, werden die für IFDMA hergeleiteten pilotbasierten und semiblinden Kanalschätzverfahren auf ihre Anwendbarkeit bei B-IFDMA untersucht. Es zeigt sich, dass B-IFDMA aufgrund der blockweisen Übertragung im Frequenzbereich Vorteile bei der Anwendung von Interpolationsfiltern im Frequenzbereich bietet. Aufgrund dieser Eigenschaft können im Vergleich zu IFDMA neue Verfahren zur Einfügung von Pilotsymbolen und zur Kanalschätzung hergeleitet werden. Darüber hinaus bietet B-IFDMA ebenso wie IFDMA die Möglichkeit, die Anzahl der verwendeten Pilotsymbole mit Hilfe der semiblinden Kanalschätzung zu reduzieren.German
Uncontrolled Keywords: future mobile radio systems, mobile radio communication, multiple access scheme, IFDMA, Block-IFDMA, channel estimation, pilot assisted channel estimation, semiblind channel estimation, mobile radio channel, subspace identification, decision directed estimation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
future mobile radio systems, mobile radio communication, multiple access scheme, IFDMA, Block-IFDMA, channel estimation, pilot assisted channel estimation, semiblind channel estimation, mobile radio channel, subspace identification, decision directed estimationEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Kommunikationstechnik
Date Deposited: 24 Feb 2011 07:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24063
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Klein, Prof. Dr.- Anja and Koch, Prof. Dr.- Wolfgang
Refereed: 24 January 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2406
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