Channel estimation is of critical importance in a millimeter-wave (mm-wave) hybrid multiple-input multiple-output (MIMO) system consisting of radio-frequency (RF) beamformers with large antenna arrays followed by a baseband MIMO processor. Due to the use of large antenna arrays and rotating pilot beams to compensate for higher path loss, conventional channel estimation techniques developed for a lower-frequency MIMO system are not applicable and thus an efficient mm-wave specific channel estimation techniques are required. This dissertation proposes mm-wave specific pilot signal reception and channel estimation techniques for mm-wave hybrid MIMO systems with rotating pilot beams.
In the first half of this dissertation, a sparse signal recovery problem exploiting the sparse nature of mm-wave channels is formulated for channel estimation based on the parametric channel model with quantized angles of departures/arrivals (AoDs/AoAs), called the angle grids. The problem is solved by the orthogonal matching pursuit (OMP) algorithm employing a redundant dictionary consisting of array response vectors with finely quantized angle grids. We suggest the use of non-uniformly quantized angle grids and show that such grids reduce the coherence of the redundant dictionary. The lower- and upper-bounds of the sum-of-squared errors (SSE) of the proposed OMP-based estimator are derived analytically: the lower-bound is derived by considering the oracle estimator that assumes the knowledge of AoDs/AoAs, and the upper-bound is derived based on the results of the OMP performance guarantees. Analytical results indicate that the SSE increases with the number of channel paths (or the sparsity level). The design of pilot beam vectors (or sensing matrix) is particularly important in hybrid MIMO systems because the RF beamformer prevents the use of independent and identically distributed (i.i.d.) random training vectors which are popular in compressed sensing (CS). We design training vectors so that the total coherence of the equivalent sensing matrix is minimized for a given RF beamforming matrix which is assumed to be unitary. It is observed that the estimation accuracy can be improved significantly by randomly permuting the columns of the RF beamforming matrix. Simulation results demonstrate the advantage of the proposed OMP with a redundant dictionary over the existing methods such as the least squares (LS) method and the OMP based on the virtual channel model.
In the second half of this dissertation, a mm-wave specific process for pilot signal reception is developed while focusing on a pilot arrival time (PAT) discovery and a space-time alignment of the pilot signals received by rotating pilot beams. The PAT finder identifies the timing instants when the time domain (TD) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) pilot symbols are received, while compensating for the carrier frequency offset (CFO). The estimated PATs arise from different channel paths corresponding to different delay taps, which results in the phase offset and inter-symbol interference (ISI) on reference signals (RSs) after OFDM demodulation. To compensate for these effects of rotating pilot beams, the estimated PATs are adjusted by the space-time aligner. After reception process, the channel estimation is performed where the spatially common support in sparse channel vectors is exploited. The simulation results demonstrate that the proposed mm-wave specific process for pilot signal reception is essential in estimating mm-wave channels with rotating pilot beams.
많은 수의 안테나와 상대적으로 적은 수의 기저대역 처리부로 구성된 하이브리드 다중 안테나 송수신기가 사용되는 밀리미터파 통신 시스템에서 채널추정은 중요한 역할을 한다. 많은 수의 안테나 사용과 방향성 파일럿 빔의 회전동작은 기존 마이크로파 통신 시스템에서 고안된 채널추정 방법들의 적용을 어렵게 만들기 때문에 밀리미터파 통신 시스템에 적합한 새로운 채널추정 방법의 개발이 필요하다. 본 학위논문에서는 파일럿 빔이 회전하는 동안의 파일럿 신호 수신방법과 밀리미터파 채널의 특징을 활용하는 채널추정 방법들을 제안한다.
첫 번째 부분에서는 밀리미터파 채널의 희소성 특징을 이용하여 양자화된 후보 도래각, 발사각 기반의 희소성 신호복구 문제로 설정하고 해당 문제를 orthogonal matching pursuit (OMP) 알고리즘을 활용하여 풀었다. 후보 도래각과 발사각을 정할 때 양자화 오류와 dictionary의 coherence를 낮추기 위해 비균일 양자화 방법을 제안하였다. 제안된 채널추정 방법에 대해 하한 성능과 상한 성능을 분석하였고 그 결과 채널의 경로 수가 증가함에 따라 채널추정 성능이 저하됨을 확인하였다. 하이브리드 파일럿 빔 설계 시 기저대역 빔들은 등가 센싱행렬의 total coherence가 낮아지도록 설계하였으며 RF 파일럿 빔들은 순서를 불규칙하게 설계하였다. 시뮬레이션을 통해 설계된 하이브리드 파일럿 빔이 제안된 채널추정 성능을 개선하는 것을 확인하였고 기존 채널추정 방법들 보다 적은 통신자원으로도 개선된 채널추정 성능을 달성할 수 있음을 보였다.
두 번째 부분에서는 트레이닝 과정에서 다중 반송파 파일럿 심볼들이 지향성 빔들을 회전하는 방식으로 송수신될 때 적합한 파일럿 신호 수신동작을 제안한다. 파일럿 빔들이 회전하는 과정에서 도착시간 추정이 가능한 파일럿 신호들을 검출하고 검출된 OFDM 파일럿 심볼에 대해서만 시간/주파수 동기화를 진행하였다. 송수신 파일럿 빔 쌍에 대해 형성된 유효채널들은 서로 다른 시간지연 특성을 보이기 때문에 인접 심볼 간섭과 위상 회전을 피하기 위해 동기 시간들을 정렬시켰다. OFDM 파일럿 신호들의 수신과정이 끝나게 되면 채널추정을 위한 기준신호를 획득하게 된다. 획득된 기준신호로부터 다중 반송파 밀리미터파 채널들이 동일한 도래각, 발사각을 갖는 특징을 활용하여 희소성 채널추정 문제화를 설정하였다. 시뮬레이션을 통해 제안된 다중 반송파 파일럿 심볼 수신동작이 밀리미터파 채널추정을 위해서 반드시 필요함을 보였다.
