[論文レビュー] A Simple Two-stage Equalizer With Simplified Orthogonal Time Frequency Space Modulation Over Rapidly Time-varying Channels

Li Li, Wei Hua+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2017

PAPR reduction in OFDM参考文献 5被引用数 56

ひとこと要約

本論文は OTFS の等価遅延-ドップラーチャネル行列を導出し、単純な2段階等化器 (周波数領域の単一タップと遅延-ドップラー領域の等化器) を実現して、高ドップラーシナリオで BER を OFDM ベースの手法より改善する。

ABSTRACT

In this work, we derive a equivalent delay-Doppler channel matrix of the Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) modulation that has not been studied in previous literature. It has the similar structure as the banded channel matrix of OFDM systems over rapidly time-varying channels. However, the band in the equivalent channel matrix will no longer spread with the increase of the Doppler spread once the length of maximum channel delay spread and the OTFS frame duration are deter- mined. Furthermore, the equivalent channel matrix can simplify the OTFS modulation in the transmitter side. Incorporating the equivalent channel matrix, we propose a simple two-stage equal- izer in 1 dimensional operations for OTFS modulation. First, the receive signal is equalized using the conventional OFDM single- tap equalizer in the frequency domain. The multipath effects can be removed. In the second stage, another low complexity delay- Doppler domain equalizer is employed to eliminate the effects of the residual interference caused by the Doppler spread with the equivalent channel matrix. The simulation results demonstrate that the proposed method is superior to the conventional single- tap equalizer and full minimum mean squared error (MMSE) equalizer of OFDM systems in terms of BER in high Doppler spread scenarios.

研究の動機と目的

• 遅延拡大とドップラー拡が OTFS にどのように影響するかを理解するために、OTFS の等価遅延-ドップラーチャネル行列を導出する。
• 等価チャネルを活用して多重経路とドップラー効果を低減する低計算量の2段階等化器を提案する。
• 提案手法が高ドップラーシナリオで OFDM ベースラインと比較して有利な BER 性能を達成することを示す。

提案手法

• OTFS 送信機の演算をベクトル化して、遅延-ドップラー領域の等価チャネル行列 H_eq を得る。
• 2段階の等化器を提案する。第1段は従来の OFDM 単一タップ周波数領域等化器を用い、第2段は遅延-ドップラー領域の等化器を用いて残留の干渉をキャンセルする。
• 再配置行列 Xi と複数の FFT/IFFT 演算を用いて送信処理を簡略化する。
• 第2段は H_eq の自己相関に基づく干渉除去アプローチと、推定を洗練させるクリッピング/量子化ステップを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OTFS の等価遅延-ドップラーチャネル行列の構造はどのようなもので、遅延拡がりとドップラー拡がりにどのように依存するのか？
• RQ2 低計算量の2段階等化器 (FDE かつ DDE) は、高ドップラー下で単一タップ OFDM 等化器および全 MMSE OTFS より良い BER を達成できるか？
• RQ3 導出された等価チャネル行列を用いて送受信処理をどのように簡略化できるか？
• RQ4 急速に時間変化するチャネル下で提案手法と OFDM ベースの方式の BER 性能を比較するとどうなるか？

主な発見

• 最大遅延拡がりとフレーム長が固定されると、ドップラー拡がりに依存しても展開しない固定帯域を持つ等価 OTFS チャネル行列。
• 第1段が周波数領域の単一タップ等化器、第2段が遅延-ドップラー領域の等化器で、残留のドップラー誘発干渉を除去する2段階の等化器。
• 提案された FDE および FDE+DDE は、高ドップラーシナリオで従来の OFDM 単一タップおよび完全 MMSE 受信機より BER が良く、計算量は OFDM 単一タップと同程度。
• 非常に高いドップラーではフル OTFS MMSE が提案手法を上回る可能性があるが、帯状行列の逆行列計算によりハードウェアの複雑さが増す。