Channel estimation algorithms for OFDM in interference scenarios
Algorithmes d'estimation de canal pour l'OFDM en présence d'interférence
Résumé
The scarcity of the radio spectrum and the increasing demand on bandwidth
makes it vital to optimize the spectrum use. While a maximum e-
ciency should be attained, a minimal interference level should be maintained.
Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a well-known modulation
scheme reputed to combat multipath fading eciently. OFDM has been
selected as the modulation scheme in several standards such as the 3GPP long
term evolution (LTE) and a derivative of OFDM, the generalized frequency
division multiplexing (GFDM), is a candidate for 5G systems. In order to
guarantee a coherent detection at the receiver, in the absence of the channel
knowledge, channel estimation is regarded as a fundamental task in OFDM. It
becomes even more challenging in the presence of interference.
In this thesis, our aim is to propose channel estimation algorithms for
OFDM systems in the presence of interference, where conventional channel estimators
designed for OFDM fail. In particular, we focus on interference that
arises as a result of schemes envisioned to optimize the spectrum use. This
leads us to consider two main themes; cognitive radio (CR) and superimposed
pilots (SP).
First, we consider the CR environment which has been proposed to tackle
the problem of spectrum scarcity. Technologies employing OFDM as their modulation
scheme such as WIMAX and WRAN, might exist in a CR network. In
such scenarios, a particular type of interference arises and is known as the
narrowband interference (NBI). NBI is characterized by a high power which
strikes a small number of OFDM sub-carriers. While all existing literature
addresses slow time-varying channels, we propose a novel channel estimation
framework for fast time-varying channels in OFDM with NBI. This is accomplished
through an expectation maximization (EM) based algorithm. This
formulation allows us to obtain a closed-form expression for the noise power estimation.
The known pilot sub-carriers inserted within the OFDM frame to accomplish
the channel estimation task are another source of bandwidth consumption
in OFDM. In an attempt to overcome this drawback, SP have been proposed as
substitutes to conventional pilots. In this thesis, we are particularly interested
in a very recent class of SP for OFDM, known as the data-nulling SP (DNSP)
scheme. DNSP assures interference-free pilots at the expense of data interference.
Seen the modernity of DNSP, a suitable receiver has to be designed to
cope with its design. Turbo receivers are well known to be the most ecient
in canceling interference. However, two main drawbacks of turbo receivers are
their high complexity and their need of an accurate channel estimate. The contribution
of this work is twofold and is oriented to deal with the two mentioned
downsides of turbo receivers.
We rst propose a low-complexity soft approximated minimum mean square
error (MMSE) interference canceler (IC) particularly for DNSP. In fact, we
show that by exploiting the speci c interference structure that arises in DNSP,
the matrix inversion needed by the approximated MMSE-IC in the classical case
reduces to a diagonal matrix inversion. The performance of the proposed IC is
reliable when the channel estimation error is small. As another contribution, we
extend the design of the approximated IC for DNSP so as to take the channel
estimation errors into account. Those two contributions allow us to bene t
from the interference cancellation property of turbo receivers, while keeping a
low-complexity and dealing with channel estimation errors when present.
Finally, robust channel estimation is discussed in the last chapter. In particular,
we provide some insights and propositions for its implementation to
problems of channel estimation in OFDM.
La rarete du spectre radio et la demande croissante de bande passante
rendent l'optimisation de l'utilisation du spectre essentiel. Tandis qu'une ef-
cacite maximale devrait ^etre atteinte, un niveau minimal d'interference devrait
^etre maintenu. L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing en
anglais) est un schema de modulation bien connu pour combattre ecacement
l'evanouissement multi trajets. OFDM a ete retenu comme un schema de modulation
dans plusieurs normes, comme le 3GPP LTE (Long Term Evolution
en anglais) et un derive d'OFDM, le GFDM (Generalized Frequency Division
Multiplexing en anglais), est un candidat pour le systeme 5G. L'estimation
de canal est une t^ache fondamentale dans les systemes OFDM et elle devient
plus dicile en presence d'interference. Dans cette these, notre objectif est
de proposer des algorithmes d'estimation de canal pour les systemes OFDM
en presence d'interference, ou les algorithmes classiques d'estimation de canal
echouent. En particulier, nous nous concentrons sur les interferences dues a
certaines approches utilisees pour optimiser le spectre. Cela nous amene a consid
erer les deux cas suivants.
1) Tout d'abord, nous considerons l'environnement radio intelligente CR
(Cognitive Radio en anglais) qui a ete propose pour faire face au probleme de
rarete du spectre. Les technologies qui emploient l'OFDM comme schema de
modulation (WIMAX, WRAN) peuvent exister dans un scenario de CR. Dans
de tels scenarios, un type particulier d'interference se pose et il est connu comme
l'interference a bande etroite ou NBI (Narrowband Interference en anglais).
NBI est caracterisee par une puissance elevee qui frappe un petit nombre de
sous porteuse dans un systeme OFDM. Pendant que tous les travaux dans
la litterature traitent le cas du canal a variations lentes, nous proposons un
nouveau cadre d'estimation de canal pour les canaux a variations rapides contaminés par NBI. Cela est accompli avec l'algorithme EM (Expectation maxi-
mization en anglais) et une expression explicite pour l'estimation de la puissance
du bruit est obtenue.
2) Une autre source de consommation de bande passante en OFDM est
la presence de pilotes connus inseres dans la trame OFDM pour accomplir
l'estimation du canal. Pour tenter de remedier a ce probleme, les pilotes superpos
es SP (Superimposed Pilots en anglais) ont ete proposes comme substituts
aux pilotes classiques. Dans cette these, on est interesse par une nouvelle classe
de SP pour OFDM connu comme DNSP (Data Nulling SP en anglais). DNSP
assure des pilotes sans interference au detriment d'interference des donnes. Due
a la modernite de DNSP, un recepteur adapte a son design doit ^etre concu.
Les recepteurs turbo sont connus pour ^etre les plus ecaces en supprimant
l'interference. Neanmoins, ils possedent deux inconvenients majeurs; leur complexit
e et leur besoin d'un canal precis. La contribution de ce travail est double
et elle est orientee vers le traitement des deux inconvenients mentionnes.
Nous proposons d'abord un annuleur d'interferences IC (Interference can-
celer en anglais) base sur le critere MMSE (Minimum Mean Square Error
en anglais) a faible complexite pour DNSP. En fait, nous montrons qu'en exploitant
la structure speci que de l'interference en DNSP, l'inversion de matrice
necessaire dans le cas classique se reduit a l'inversion d'une matrice diagonale.
Cependant, la performance de l'IC propose n'est able que quand l'erreur de
l'estimation du canal est faible. Donc, dans une autre contribution, nous proposons
un IC pour DNSP en tenant compte des erreurs d'estimation du canal.
En n l'estimation robuste du canal est abordee dans le dernier chapitre.
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