Channel estimation for MR-OFDM in IEEE 802.15.4g smart utility network

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has recently been commonly used in wireless communication systems due to its high-speed data transfer capability with high bandwidth efficiency and multi-path delay robustness. In the present Thesis, channel estimation techniques for Multi Regional and Multi Rate (MR) OFDM systems in IEEE 802.15.4g Standard for Smart Metering Utility Networks (SUN) based on pilots are investigated. The channel estimation based on known data is divided between techniques that use training symbols at the beginning of a packet and techniques that use pilot carriers inside each OFDM symbol. Given the scattered structure of pilot position, channel estimation using pilot tones can be observed as a 2-Dimensional interpolation problem. In this Thesis, the 2-D Wiener filter is implemented and simulation results show that this filtering approach outperform all the other interpolation techniques presented in this work. Since its complexity is too high, practical implementation is difficult. Therefore, a lower complexity separable 1-D interpolation in time domain and in frequency domain filtering approach is presented with different estimation methods. We also propose an adaptive scheme for channel estimation in OFDM systems, which suppress noise and track fast varying channel. In this scheme, we identify the channel by using a first order loop filter and simulation results shows that when the channel presents a Doppler effect, choosing the best channel estimation also depends on the signal-to-noise ratio (SNR) we have. We have compared the performances of all schemes by measuring the bit error rate and the mean square error performance with uncoded quadrature phase-shift keying (QPSK) as modulation schemes, and three different types of channels: Additive white Gaussian noise (AWGN), stationary Rayleigh and time-varying multi-path Rayleigh fading channels with Doppler spread. Furthermore, in this Thesis, a method to estimate the SNR based on the preamble of the IEEE 802.15.4g Standard is investigated as well. Simulation results show that the proposed method is robust to frequency selectivity and has minimal computational complexity.

La modulazione con multiplazione a divisione di frequenze con portanti ortogonali (OFDM) è comunemente utilizzato nei sistemi di comunicazione wireless grazie alla sua capacità di garantire una trasmissione dati ad alta velocità con elevata efficienza spettrale e alla sua robustezza a canali selettivi in frequenza. Nella presente tesi vengono studiate le tecniche di stima del canale per i sistemi Multi Regional Multi Rate (MR) OFDM nello standard IEEE 802.15.4g per Smart Metering Utility Network (SUN) basate su simboli e portanti pilota. La stima del canale basata su dati noti al ricevitore è divisa tra tecniche che utilizzano simboli noti all'inizio di un pacchetto e tecniche che utilizzano portanti pilota note all'interno di ogni simbolo OFDM. La stima del canale nel caso di portanti pilota, si può ricodurre a un problema di interpolazione bidimensionale. In questa Tesi, viene dapprima considerato il filtro Wiener bidimensionale. Sebbene i risultati delle simulazioni mostrino la bontà di questo approccio di filtraggio, la sua complessita lo rende di difficile implementazione. Per tale motive, sono stati considerati metodi di stima in cui l'interpolazione viene fatta in modo indipendente nelle due dimensioni, con un notevole risparmio computazionale. Fra questi metodi è stato proposto uno schema adattivo per la stima del canale nei sistemi OFDM, che sopprime il rumore e segue il canale che varia rapidamente nel tempo e nella frequenza. In tale schema, il canale è stato stimato utilizzando un filtro del primo ordine. I risultati delle simulazioni mostrano che quando il canale è affetto da Doppler, la scelta del filtro da applicare del canale dipende anche dal rapporto segnale-rumore che abbiamo. Abbiamo confrontato le prestazioni di tutti gli schemi misurando il tasso di errore sul bit e l'errore quadratico medio con modulazione quaternaria di fase (QPSK) non codificata come schema di modulazione in 3 diversi tipi di canali: rumore additivo gaussiano bianco (AWGN), con fading di Rayleigh stazionario e con fading di Rayleigh selettivo in frequenza a causa del l'effetto Doppler. Inoltre, in questa Tesi, viene studiato anche un metodo di stima del rapporto segnale-rumore (SNR) basato sul preambolo dello standard IEEE 802.15.4g. I risultati della simulazione mostrano che il metodo proposto è robusto e ha una bassa complessità computazionale.