[論文レビュー] A New Path Division Multiple Access for the Massive MIMO-OTFS Networks

Muye Li, Shun Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2020

PAPR reduction in OFDM参考文献 36被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、高移動度環境下におけるマス・MIMO-OTFSシステム向けに、3次元角度遅延ドップラー領域リソース割り当てを活用した新規なパス分割多重アクセス（PDMA）方式を提案する。3次元ニュートン化直交マッチング Pursuit（3D-NOMP）を用いたチャネルパラメータ抽出と、干渉を回避するためのパススケジューリングアルゴリズムにより、低複雑度ビームフォーミングを実現し、干渉のない上行リンクおよび下行リンク通信を可能にする。シミュレーションにより、高移動度およびSNRの変動下でも安定した性能を示すことが確認された。

ABSTRACT

This paper focuses on a new path division multiple access (PDMA) for both uplink (UL) and downlink (DL) massive multiple-input multiple-output network over a high mobility scenario, where the orthogonal time frequency space (OTFS) is adopted. First, the 3D UL channel model and the received signal model in the angle-delay-Doppler domain are studied. Secondly, the 3D-Newtonized orthogonal matching pursuit algorithm is utilized for the extraction of the UL channel parameters, including channel gains, directions of arrival, delays, and Doppler frequencies, over the antenna-time-frequency domain. Thirdly, we carefully analyze energy dispersion and power leakage of the 3D angle-delay-Doppler channels. Then, along UL, we design a path scheduling algorithm to properly assign angle-domain resources at user sides and to assure that the observation regions for different users do not overlap over the 3D cubic area, i.e., angle-delay-Doppler domain. After scheduling, different users can map their respective data to the scheduled delay-Doppler domain grids, and simultaneously send the data to base station (BS) without inter-user interference in the same OTFS block. Correspondingly, the signals at desired grids within the 3D resource space of BS are separately collected to implement the 3D channel estimation and maximal ratio combining-based data detection over the angle-delay-Doppler domain. Then, we construct a low complexity beamforming scheme over the angle-delay-Domain domain to achieve inter-user interference free DL communication. Simulation results are provided to demonstrate the validity of our proposed unified UL/DL PDMA scheme.

研究の動機と目的

• 高移動度マス・MIMO-OTFSネットワークにおける正確なチャネル推定と干渉管理の課題に対処すること。
• 上行リンクおよび下行リンク伝送における3次元角度遅延ドップラーチャネル応答のモデル化と特性評価すること。
• 3次元遅延ドップラー領域におけるユーザー間の角度ドメインリソースが重複しないように割り当てるパススケジューリングアルゴリズムの設計。
• 3次元チャネルドメインにおけるスパarsityを活用することで、干渉のない上行リンクおよび下行リンク通信を実現すること。
• 3次元チャネル推定に基づく低複雑度ビームフォーミング方式を設計すること。

提案手法

• 3次元ニュートン化直交マッチング Pursuit（3D-NOMP）アルゴリズムを用い、角度、遅延、ドップラー周波数を含むチャネルパラメータを角度-遅延-ドップラー領域で抽出する。
• ユーザー間干渉を回避するために、3次元立方体リソース空間（角度、遅延、ドップラー）における重複のない観測領域を割り当てるパススケジューリングアルゴリズムを提案する。
• ユーザーは、OTFSブロック内のスケジュールされた遅延-ドップラーグリッドにデータをマッピングし、干渉なく同時送信を可能にする。
• 基地局では、所定の3次元グリッドにおける信号を別々に収集し、3次元チャネル推定および最大比率合成（MRC）に基づくデータ検出を実行する。
• 下行リンク伝送におけるユーザー間干渉を抑えるために、角度-遅延-ドップラー領域における低複雑度ビームフォーミング方式を構築する。
• リソース割り当ておよびシステム設計を支援するため、3次元チャネルにおけるエネルギー分散およびパワー漏れの理論的分析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高移動度マス・MIMO-OTFSシステムにおける3次元チャネルパラメータ（角度、遅延、ドップラー）を効率的に抽出する方法は何か？
• RQ2 エネルギー分散およびパワー漏れが、角度-遅延-ドップラー領域における3次元チャネル推定およびリソース割り当てに与える影響は何か？
• RQ3 3次元リソース空間におけるユーザー間の重複のない観測領域を確保するために、パススケジューリングをどのように設計できるか？
• RQ4 OTFSベースのマス・MIMOにおいて、3次元リソース割り当てを用いて干渉のない上行リンクおよび下行リンク通信を達成できるか？
• RQ5 提案されたPDMA方式は、高移動度および変動するSNR条件下で、どの程度の性能向上を達成できるか？

主な発見

• 3D-NOMPアルゴリズムは、角度-遅延-ドップラー領域において高い精度でチャネルパラメータを抽出でき、正確な3次元チャネル推定を可能にする。
• パススケジューリングアルゴリズムにより、3次元立方体リソース空間におけるユーザーの観測領域が重複せず、同じOTFSブロック内でのユーザー間干渉が完全に排除される。
• シミュレーション結果から、スパarselyスケジュールされたデータブロックは、パワー漏れが少ないため、密に配置されたブロックよりも上行リンクデータ検出におけるMSEが低くなることが示された。
• 下行リンクにおいては、SNRが高いとMSEが収束するが、チャネル推定が不一致の場合には依然として顕著に高いMSEを示し、正確な3次元チャネル取得の重要性が浮き彫りになった。
• 提案された低複雑度ビームフォーミング方式は、3次元チャネルのスパarsityと空間多重性を活用することで、干渉のない下行リンク通信を実現した。
• 統合されたPDMA方式は、さまざまなユーザー速度およびSNRレベルにおいても、安定した性能を示し、高移動度環境下での有効性が検証された。