[論文レビュー] Channel Estimation for MIMO Space Time Coded OTFS under Doubly Selective Channels

Roberto Bomfin, Marwa Chafii+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2021

PAPR reduction in OFDM参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、周期的遅延ダイバーシティ（CDD）を用いてパイロット信号を送信することで、各送信アンテナごとに独立したチャネル推定を可能にする、MIMO空間時間符号化OTFSシステムにおける固有語（UW）ベースのチャネル推定方式を提案する。主な貢献は、高レート変調および高コードレート下でOTFSがOFDMを著しく上回ることを示しており、10⁻³ FERにおける4×4 MIMO 64-QAM環境でも2 dBの利得を達成している。

ABSTRACT

In this paper, we present a unique word (UW)-based channel estimation approach for multiple-input multiple-output (MIMO) systems under doubly dispersive channels, which is applied to orthogonal time frequency space (OTFS) with space time coding (STC). The OTFS modulation has been recently proposed as a robust technique under time varying channels due to its property of spreading the data symbols over time and frequency. Yet another relevant aspect is the employment of multiple antennas at the transmitter and receiver. Therefore, we consider an STC MIMO system with cyclic delay diversity at the transmitter and maximum ratio combining at the receiver, where we develop a UW-based channel estimation scheme for multiple transmit antennas. We show a recently proposed frame optimization scheme for SISO is directly applicable to MIMO. In addition, we evaluate numerically the frame error rate (FER) of OTFS and OFDM with 2x2 and 4x4 MIMO, where the time varying channel is estimated using the UW-based approach. The FER results reveal that OTFS becomes more advantageous than OFDM for MIMO-STC systems with higher order modulation and code rate.

研究の動機と目的

• 二重選択的（時間変動型）チャネル下におけるMIMO-OTFSシステムの正確なチャネル推定の課題に対処すること。
• SISOフレーム最適化方式をUWベース推定に拡張し、MIMOドメインに適用すること。
• 現実的な時間変動チャネル条件下で、MIMO-STCシステムにおけるOTFSとOFDMの性能向上を評価すること。
• 高レート変調および高コードレートがOTFSとOFDMの性能差に与える影響を調査すること。

提案手法

• 各送信アンテナがUWの周期的シフト版を送信することで、各アンテナごとの独立したチャネル推定を可能にする、固有語（UW）パイロット構造を採用する。
• 送信側で周期的遅延ダイバーシティ（CDD）を活用し、同時に空間時間符号化（STC）のメカニズムとしても機能させ、UWベース推定フレームワークを実現する。
• SISOの先行研究から得られたフレーム最適化技術をMIMOに適用し、その直接適用可能性を証明するとともに、パイロットオーバーヘッドを低減する。
• OTFSで近似最適性能を達成するため、線形最小分散誤差と並列干渉キャンセレーション（LMMSE-PIC）を組み合わせた反復受信機を実装する。
• 1/2および3/4のコードレートを持つ再帰的システム的畳み込み（RSC）符号を用い、QPSK、16-QAM、64-QAMと組み合わせたビットインタリーブ符号化変調（BICM）を採用する。
• 時間変動チャネル下で、UWベース推定を用いた2×2および4×4 MIMO構成において、OTFSとOFDMのフレーム誤り率（FER）を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SISOベースのUWベースチャネル推定およびフレーム最適化方式は、MIMO-OTFSシステムに効果的に拡張可能か？
• RQ2 UWベース推定を用いた時間変動チャネル下で、MIMO-STCシステムにおけるOTFSとOFDMの性能はどのように比較されるか？
• RQ3 スペクトル効率が向上する（高レート変調および高コードレート）に伴い、OTFSとOFDMの性能差は拡大するか？
• RQ4 64-QAMなどの高レート信号および高コードレートを用いた4×4などの高MIMO構成下で、OTFSがOFDMに対して残存する性能利得は何か？
• RQ5 CDDベースのUW送信方式は空間時間符号化と互換性があり、各送信アンテナごとの独立したチャネル推定を可能にするか？

主な発見

• SISOシステムで開発されたフレーム最適化方式は、MIMO-OTFSシステムに対しても直接適用可能であり、推定精度を損なわずにパイロットオーバーヘッドを低減できる。
• 3/4レート16-QAMを用いた2×2 MIMOでは、FERが10⁻³の条件下でOTFSがOFDMに対して5 dB以上のFER性能向上を達成している。
• 3/4レート64-QAMを用いた4×4 MIMOでは、FERが10⁻³の条件下でOTFSがOFDMに対して約2 dBの非可視的性能向上を示している。
• スペクトル効率が向上するに従い、OTFSとOFDMの性能差は顕著に拡大する。特に高レート変調および高コードレートの状況で顕著である。
• 4本の受信アンテナを備えても、OTFSは高スルーレート環境下でOFDMに対して測定可能な性能優位性を維持しており、多様性が増加しても利得が消失するという見解に反する。
• 提案されたUWベースチャネル推定とCDDを組み合わせることで、$ N_{\text{UW}} / N_t \geq L $ を満たす限り、各送信アンテナごとの独立推定が可能になる。ここで $ N_{\text{UW}} $ はUW長、$ N_t $ は送信アンテナ数、$ L $ はチャネル遅延スパンを表す。