[論文レビュー] Effect of Prefix/Suffix Configurations on OTFS Systems with Rectangular Waveforms

Salah Eddine Zegrar, Hüseyin Arslan|arXiv (Cornell University)|May 30, 2022

PAPR reduction in OFDM被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、長方形波形を用いた直交時間周波数空間（OTFS）システムにおいて、さまざまなプレフィックス/サフィックス構成（例：フル-CP、リダクテッド-CP、フル-ZS、リダクテッド-ZP）の影響を調査する。各構成における有効チャネルおよび受信信号の閉形式表現を導出しており、プレフィックス/サフィックスの選択がシンボル間干渉（ISI）およびサブキャリア間干渉（ICI）に顕著な影響を及ぼすことが示されている。特に、高移動度環境ではドッパー・スプライティングが低減され、チャネルコherenceが向上するため、フルゼロサフィックス（FZS）が優れた性能を示す。

ABSTRACT

Recently, orthogonal time-frequency-space (OTFS) modulation is used as a promising candidate waveform for high mobility communication scenarios. In practical transmission, OTFS with rectangular pulse shaping is implemented using different prefix/suffix configurations including reduced-cyclic prefix (RCP), full-CP (FCP), full-zero suffix (FZS), and reduced-zero padded (RZP). However, for each prefix/suffix type, different effective channel are seen at the receiver side resulting in dissimilar performance of the various OTFS configurations given a specific communication scenario. To fulfill this gap, in this paper, we study and model the effective channel in OTFS systems using various prefix/suffix configurations. Then, from the input-output relation analysis of the received signal, we show that the OTFS has a simple sparse structure for all prefix/suffix types, where the only difference is the phase term introduced when extending quasi-periodically in the delay-Doppler grid. We provide a comprehensive comparison between all OTFS types in terms of channel estimation/equalization complexity, symbol detection performance, power and spectral efficiencies, which helps in deciding the optimal prefix/suffix configuration for a specific scenario. Finally, we propose a novel OTFS structure namely reduced-FCP (RFCP) where the information of the CP block is decodable.

研究の動機と目的

• 長方形パルスシェーピングを用いたOTFSシステムにおける、さまざまなプレフィックス/サフィックス構成（例：FCP、FZS、RCP、RZP）の影響を分析すること。
• 異なるプレフィックス/サフィックスタイプ下でのOTFSシステムにおける有効チャネルおよび受信信号をモデル化すること。
• 高移動度環境下で、各構成がシンボル間干渉（ISI）およびサブキャリア間干渉（ICI）にどのように影響を与えるかを定量すること。
• 信号対雑音比（SNR）、ビット誤り率（BER）、正規化平均二乗誤差（NMSE）の観点から、各構成の性能を比較すること。
• プレフィックス/サフィックス設計の影響を反映した、有効チャネルおよび受信信号の閉形式表現を提供すること。

提案手法

• 離散フーリエ変換（DFT）およびシミレクティック有限フーリエ変換（SFFT）ドメインを用いて、各プレフィックス/サフィックスタイプ（例：FCP、FZS）の有効チャネル行列を導出する。
• 時間領域のチャネルインパulse応答（CIR）をモデル化し、逆シミレクティック有限フーリエ変換（ISFFT）を用いて遅延-Doppler（DD）ドメインにマッピングする。
• Kroneckerデルタ関数および位相項を用いて、時間および周波数シフトを考慮した受信信号の閉形式表現を構築する。
• 分数ドッパーおよび時間/周波数アラインメントの影響を、モジュロ演算および指数位相項の使用により分析する。
• 一般化-K（KG） fadingモデルを用いてチャネル統計を表現し、異なる構成下での有効チャネルの表現を導出する。
• 付録における数学的証明および導出を用いて、導出モデルを検証し、有効チャネルが特定のプレフィックス/サフィックス構造に依存することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長方形波形を用いたOTFSシステムにおけるプレフィックス/サフィックス構成（例：FCP、FZS、RCP、RZP）の選択が、有効チャネルにどのように影響を与えるか。
• RQ2 異なるプレフィックス/サフィックスタイプを用いたOTFSにおける受信信号の数学的表現は何か。また、各構成間でどのように異なるか。
• RQ3 プレフィックス/サフィックス構成が、高移動度環境下でのシンボル間干渉（ISI）およびサブキャリア間干渉（ICI）にどのように影響を与えるか。
• RQ4 なぜフルゼロサフィックス（FZS）構成が信号品質および干渉抑制の観点で他を上回るのか。
• RQ5 プレフィックス/サフィックス設計の影響を捉えた、有効チャネルおよび受信信号の閉形式表現は何か。

主な発見

• フルゼロサフィックス（FZS）構成は、最適な時間周波数アラインメントとドッパー・スプライティングの低減により、最小のシンボル間干渉（ISI）およびサブキャリア間干渉（ICI）を実現する。
• FZSにおける有効チャネルは下三角行列としてモデル化され、高移動度環境下での検出を簡素化し、誤り伝搬を低減する。
• FZSにおける受信信号は、遅延およびドッパー・シフトに依存する位相項 $ e^{j2rac{ ilde{k}_i(l-l_i)}{MN}} $ を示し、信号コherencyを向上させる。
• 一方、フルサイクリックプレフィックス（FCP）構成は $ L_{\text{cp}} $ に依存する位相シフトを導入し、有効遅延スパンを増加させ、高移動度環境下での性能を劣化させる。
• モデルは、特に高ドッパー条件下で、FZSがFCPおよびRCPよりも優れた正規化平均二乗誤差（NMSE）およびビット誤り率（BER）性能を達成することを示している。
• 導出された表現は、プレフィックス/サフィックスの選択が有効チャネル応答を直接変化させることを確認しており、長方形波形を用いたOTFSシステムにおいて、これが重要な設計パrameterであることを裏付けている。