Blind channel estimation for space-time block codes : novel methods and performance Studies

Abstract

[abstract] This work is based on a study of blind source separation techniques in order to estimate coe cients in transmission systems using Alamouti codi cation with two transmit antennas and one receive antenna. Most of present standards include pilot symbols to estimate the channel in reception. Since these symbols do not deliver user's data, their use decrease transferring quantity and also the system capacity. On the other hand, algorithms of blind separation are less precise when estimating channel coe cients than those supervised, but achieving a higher transferring rate. In this work we will deal with Alamouti codi cation system as a typical problem of blind sources separation where the signals transmitted and the channel coe cients must be estimated according to lineal and instantaneous mixtures (observations). Orthogonal structure required by Alamouti codi cation allows us to solve this problem by decomposing eigenvalues and eigenvectors of matrices calculated from di erent statistics of the observations. These algorithms could be classi ed as those using second order statistics and those using higher order statistics. Algorithms based on second order statistics work with correlation matrix of observations. They are computationally less expensive, but require a lineal precoder in order to balance the power of the signals transmitted. One of our contributions is being able to determine in an empirical way how the power decompensation should be done in order to reduce the proabibility of error in the system. On the other hand, algorithms dealing with high level statistics are based on diagonalize one or several high level cumulant matrices deriving into a major computational cost in the receiver. As an advantage we must point out that they do not require to include a lineal precoder to do the power decompensation. In this work we will prove that the output of these techniques depends on the level of eigenvalue of the diagonalized matrix spreading. This idea will be used by us in order to achieve the optimal cumulant matrix and also to propose a new algorithm that increases the output in relation to those already proposed by other authors. Another important contribution of this present study is to propose a detailed comparison between channel estimation techniques in simulated scenarios, considering channels with Rayleigh and Rice distribution, and in real scenarios in ISM of 2.4 GHz band, by using a MIMO testbed developed in Universidade da Coruña. [Resumen] En este trabajo se realiza un estudio de técnicas de separación ciega de fuentes para la estimación de los coeficientes en sistemas de transmisión que emplean la codificación de Alamouti con 2 antenas transmisoras y 1 antena receptora. La mayoría de los estándares actuales incluyen símbolos piloto para estimar el canal en recepción. Dado que estos símbolos no transportan datos del usuario, su utilización decrementa la tasa de transferencia y degrada el rendimiento del sistema. Por otro lado, los algoritmos de separación ciega son menos precisos en la estimación de los coeficientes de canal que los supervisados pero consiguen una tasa de transferencia mayor. En el presente trabajo, modelaremos el sistema de codificación de Alamouti como un problema típico de separación ciega de fuentes donde las se~nales transmitidas y los coeficientes del canal deben ser estimados a partir de mezclas lineales e instantáneas (observaciones). La estructura ortogonal impuesta por la codificación de Alamouti permite resolver este problema mediante la descomposición de autovalores y autovectores de matrices calculadas a partir de diferentes estadísticos de las observaciones. Estos algoritmos pueden ser clasificados en aquellos que utilizan estadísticos de segundo orden y aquellos que emplean estadísticos de orden superior. Los algoritmos que emplean estadísticos de segundo orden trabajan con la matriz de correlación de las observaciones, son computacionalmente poco costosos pero requieren de un precodificador lineal para descompensar la potencia de las se~nales transmitidas. Una de nuestras aportaciones es la de determinar de forma empírica cómo debe realizarse la descompesación de potencia de cara a reducir la probabilidad de error del sistema. Por otro lado, los algoritmos que trabajan con estadísticos de orden superior se basan en diagonalizar una o varias matrices de cumulantes de orden superior, lo que conlleva un mayor coste computacional en el receptor. Como ventaja debe resaltarse que no requieren incluir un precodificador lineal que realice la descompensación de potencia. En este trabajo mostraremos que el rendimiento de estas técnicas depende del grado de dispersión de los autovalores de la matriz que se diagonaliza. Utilizaremos esta idea para obtener la matriz de cumulantes óptima y para formular un nuevo algoritmo que supera en rendimiento a los propuestos previamente por otros autores. Otra aportación relevante del presente trabajo es presentar una detallada comparación de las técnicas de estimación de canal en entornos simulados, considerando canales con ditribución Rayleigh y Rice, y en entornos reales en la banda ISM de 2.4 GHz mediante el empleo de una plataforma de transmisión MIMO desarrollada en la Universidade da Coruña.