Practical considerations of greedy compressed sampling methods application for OFDM channel estimation

Abstract

EN: Context: traditionally a large number of pilot carriers are utilized to acquire channel state information in OFDM based systems. A larger number of pilot carriers gives better channel state estimation but leads to lower spectrum efficiency of the system. Objective: primary objective of this paper is to look at the practical aspects of the application of novel CS-based channel estimation technique, that can achieve estimation quality on reduced training data, in context of real pilot aided OFDM systems. Method: a novel technique CS enables representation of sparse signals using fewer samples as compared to its original size. Exploiting the sparse nature of channel impulse response of multipath channels, we apply the CS technique for channel estimation in pilot aided OFDM system based on ISDB-T standard. Results: in this paper, we consider two the most popular CS-based recovery algorithms – OMP and CoSaMP. The MSE performance metrics are given for both CS-based channel estimation algorithms. Simulations results demonstrate that CoSaMP provides more stable results while requires more pilot carriers than OMP to achieve good estimation quality. Both algorithms require a priori knowledge of channel sparsity level but CoSaMP is much more sensitive to a correctness of this information. Conclusions: the compressed sampling approach shows the impressive capability of channel impulse response recovery from a significantly smaller amount of pilot carriers than traditional linear methods require. However, the need of sparsity knowledge by the most popular CS recovery methods seriously limits the applicability of these algorithms in real OFDM receivers. Nevertheless, CSbased channel estimation is a promising technique which worth further investigation to overcome this limitation. UK: Актуальність: для отримання інформації про стан каналу в системах на основі ортогонального частотного поділу (OFDM) традиційно використовується велика кількість пілотних несучих. Збільшення кількості пілотних несучих покращує оцінку стану каналу, але призводить до зниження спектральної ефективності системи. Мета: основна мета даної роботи дослідити практичні аспекти застосування техніки розрідженій дискретизації, яка дозволяє оцінювати канальну характеристику по невеликій кількості пілотних несучих, в контексті реальних OFDM систем. Метод: сучасна технологія розрідженій дискретизації (CS) пропонує відновлювати сигнали, які мають розріджене подання у деякому базисі, шляхом мінімізації L норми, що дозволяє використовувати меншу кількість вибірок ніж вимагають класичні методи. Використовуючи розріджену природу імпульсної характеристики багатопроменевих каналів, ми застосували техніку розрідженій дискретизації для оцінки каналу в системах OFDM з пілотними несучими на прикладі стандарту ISDB-T. Результати: в даній роботі порівнюються результати оцінки каналу для двох найпопулярніших алгоритмів відновлення на основі CS-Orthogonal Matching Pursuit (OMP) і Compressive Sampling Matching Pursuit (CoSaMP). Наведено показники середньоквадратичної помилки (MSE) для алгоритмів оцінки каналу на основі CS. Результати моделювання показують, що CoSaMP забезпечує більш стабільні результати, але для отримання хорошої якості оцінки вимагає більше пілотних несучих, ніж OMP. Обидва алгоритми вимагають апріорного знання рівня розрідженості канальної характеристики, але CoSaMP набагато більш чутливий до правильності цієї інформації. Висновки: метод розрідженої дискретизації показує вражаючу здатність відновлення імпульсної характеристики каналу по значно меншій кількості пілотних несучих, ніж вимагають традиційні лінійні методи. Однак потреба популярних CS методів відновлення в апріорно знанні рівня розрідженості характеристики суттэво обмежує можливість застосування цих алгоритмів в реальних приймачах OFDM. Проте, оцінка каналу на основі CS є багатообіцяючим методом, який заслуговує подальшого вивчення з метою усунення даного обмеження.