Published December 5, 2023 | Version v1
Publication Open

An efficient deep neural network channel state estimator for OFDM wireless systems

Description

Abstract Channel state estimation (CSE) is essential for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) wireless systems to deal with multipath channel fading. To attain a high data rate with the use of OFDM technology, an efficient CSE and accurate signal detection are required. The use of machine learning (ML) to improve channel estimates has attracted a lot of attention lately. This is because ML techniques are more adaptable than traditional model-based estimation techniques. The present study proposes a receiver for low-spectrum usage in OFDM wireless systems on Rayleigh fading channels using deep learning (DL) long short-term memory (LSTM). Before online deployment and data retrieval, the proposed DL LSTM estimator gathers channel state information from transmit/receive pairs using offline training. Based on the simulation results of a comparative study, the proposed estimator outperforms conventional channel estimation approaches like minimum mean square error and least squares in noisy and interfering wireless channels. Furthermore, the proposed estimator outperforms the DL bidirectional LSTM (BiLSTM)-based CSE model. In particular, the proposed CSE performs better than other examined estimators with a reduced number of pilots, no cycle prefixes, and no prior knowledge of channel statistics. Because the proposed estimator relies on a DL neural network approach, it holds promise for OFDM wireless communication systems.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يعد تقدير حالة القناة المجردة (CSE) أمرًا ضروريًا للأنظمة اللاسلكية لتعدد الإرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM) للتعامل مع تلاشي القنوات متعددة المسارات. لتحقيق معدل بيانات مرتفع باستخدام تقنية OFDM، يلزم وجود CSE فعال وكشف دقيق عن الإشارة. اجتذب استخدام التعلم الآلي (ML) لتحسين تقديرات القناة الكثير من الاهتمام في الآونة الأخيرة. وذلك لأن تقنيات غسل الأموال أكثر قابلية للتكيف من تقنيات التقدير التقليدية القائمة على النموذج. تقترح الدراسة الحالية جهاز استقبال للاستخدام منخفض الطيف في الأنظمة اللاسلكية OFDM على قنوات تلاشي Rayleigh باستخدام الذاكرة طويلة المدى للتعلم العميق (DL) (LSTM). قبل النشر عبر الإنترنت واسترجاع البيانات، يجمع مقدر DL LSTM المقترح معلومات حالة القناة من أزواج الإرسال/الاستقبال باستخدام التدريب دون اتصال. بناءً على نتائج المحاكاة لدراسة مقارنة، يتفوق المقدر المقترح على مناهج تقدير القناة التقليدية مثل الحد الأدنى لمتوسط الخطأ المربع والمربعات الصغرى في القنوات اللاسلكية الصاخبة والمتداخلة. علاوة على ذلك، يتفوق المقدر المقترح على نموذج LSTM ثنائي الاتجاه (BiLSTM)المستند إلى CSE. على وجه الخصوص، كان أداء CSE المقترح أفضل من المقدرين الآخرين الذين تم فحصهم مع انخفاض عدد البرامج التجريبية، وعدم وجود بادئات دورة، وعدم وجود معرفة مسبقة بإحصاءات القناة. نظرًا لأن المقدر المقترح يعتمد على نهج الشبكة العصبية DL، فإنه يبشر بالخير لأنظمة الاتصالات اللاسلكية OFDM.

Translated Description (French)

L'estimation de l'état du canal abstrait (CSE) est essentielle pour les systèmes sans fil à multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) pour faire face à l'évanouissement des canaux à trajets multiples. Pour atteindre un débit de données élevé avec l'utilisation de la technologie OFDM, un CSE efficace et une détection de signal précise sont nécessaires. L'utilisation de l'apprentissage automatique (ML) pour améliorer les estimations de canaux a attiré beaucoup d'attention ces derniers temps. En effet, les techniques de ML sont plus adaptables que les techniques d'estimation traditionnelles basées sur des modèles. La présente étude propose un récepteur pour une utilisation à faible spectre dans des systèmes sans fil OFDM sur des canaux à évanouissement Rayleigh utilisant une mémoire à long terme (LSTM) d'apprentissage profond (DL). Avant le déploiement en ligne et la récupération des données, l'estimateur DL LSTM proposé recueille des informations sur l'état du canal à partir de paires d'émission/réception à l'aide d'une formation hors ligne. Sur la base des résultats de simulation d'une étude comparative, l'estimateur proposé surpasse les approches d'estimation de canal conventionnelles telles que l'erreur quadratique moyenne minimale et les moindres carrés dans les canaux sans fil bruyants et interférents. En outre, l'estimateur proposé surpasse le modèle CSE basé sur le LSTM bidirectionnel DL (BiLSTM). En particulier, le CSE proposé fonctionne mieux que les autres estimateurs examinés avec un nombre réduit de pilotes, aucun préfixe de cycle et aucune connaissance préalable des statistiques de canal. Parce que l'estimateur proposé repose sur une approche de réseau neuronal DL, il est prometteur pour les systèmes de communication sans fil OFDM.

Translated Description (Spanish)

Resumen La estimación del estado del canal (CSE) es esencial para que los sistemas inalámbricos de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) se ocupen del desvanecimiento del canal multitrayecto. Para lograr una alta velocidad de datos con el uso de la tecnología OFDM, se requiere un CSE eficiente y una detección de señal precisa. El uso del aprendizaje automático (ML) para mejorar las estimaciones de canal ha atraído mucha atención últimamente. Esto se debe a que las técnicas de ML son más adaptables que las técnicas tradicionales de estimación basadas en modelos. El presente estudio propone un receptor para uso de bajo espectro en sistemas inalámbricos OFDM en canales de desvanecimiento Rayleigh utilizando memoria a largo plazo (LSTM) de aprendizaje profundo (DL). Antes de la implementación en línea y la recuperación de datos, el estimador DL LSTM propuesto recopila información del estado del canal de los pares de transmisión/recepción utilizando la capacitación fuera de línea. Con base en los resultados de la simulación de un estudio comparativo, el estimador propuesto supera los enfoques convencionales de estimación de canales, como el error cuadrático medio mínimo y los mínimos cuadrados en canales inalámbricos ruidosos e interferentes. Además, el estimador propuesto supera el modelo CSE basado en LSTM bidireccional DL (BiLSTM). En particular, el CSE propuesto funciona mejor que otros estimadores examinados con un número reducido de pilotos, sin prefijos de ciclo y sin conocimiento previo de las estadísticas del canal. Debido a que el estimador propuesto se basa en un enfoque de red neuronal DL, es prometedor para los sistemas de comunicación inalámbrica OFDM.

Files

s11276-023-03585-1.pdf.pdf

Files (1.7 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:d3266725f6cf844d0f0463ac37d0e85b
1.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
مقدر فعال لحالة قناة الشبكة العصبية العميقة للأنظمة اللاسلكية OFDM
Translated title (French)
Un estimateur d'état de canal de réseau neuronal profond efficace pour les systèmes sans fil OFDM
Translated title (Spanish)
Un estimador de estado de canal de red neuronal profunda eficiente para sistemas inalámbricos OFDM

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4389345936
DOI
10.1007/s11276-023-03585-1

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W2064675550
  • https://openalex.org/W2121051729
  • https://openalex.org/W2808168330
  • https://openalex.org/W2886374543
  • https://openalex.org/W2938113616
  • https://openalex.org/W2962883549
  • https://openalex.org/W2963190722
  • https://openalex.org/W2963836746
  • https://openalex.org/W2966038277
  • https://openalex.org/W3016325548
  • https://openalex.org/W3022193684
  • https://openalex.org/W3043694015
  • https://openalex.org/W3113853501
  • https://openalex.org/W3122391591
  • https://openalex.org/W3132544971
  • https://openalex.org/W3136215647
  • https://openalex.org/W3155899199
  • https://openalex.org/W3169113599
  • https://openalex.org/W3169652185
  • https://openalex.org/W3184140944
  • https://openalex.org/W3193733988
  • https://openalex.org/W3194730353
  • https://openalex.org/W3204407520
  • https://openalex.org/W4205329415
  • https://openalex.org/W4205772224
  • https://openalex.org/W4210674549
  • https://openalex.org/W4224314192
  • https://openalex.org/W4281569584
  • https://openalex.org/W4292259480
  • https://openalex.org/W4297127508
  • https://openalex.org/W4312717387