[論文レビュー] Interference Cancellation and Iterative Detection for Orthogonal Time Frequency Space Modulation

P. Raviteja, Khoa T. Phan+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 16被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、遅延-Dopplerチャネルにおける直交時間周波数空間（OTFS）変調における干渉キャンセリングとシンボル検出のための低複雑性メッセージパッシングアルゴリズムを提案する。チャネルのスパarsityを活用し、位相シフトを用いて子搬送波干渉（ICI）および子シンボル干渉（ISI）を除去することで、主な項の選択的処理により効果的に子Doppler干渉（IDI）を低減し、実用的な長方形波形が理想で実現不可能なパルス整形波形と同等の性能を達成可能にする。

ABSTRACT

The recently proposed orthogonal time frequency space (OTFS) modulation technique was shown to provide significant error performance advantages over orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) in Doppler channels. In this paper, we derive the explicit input-output relation describing OTFS modulation and demodulation (mod/demod) for delay-Doppler channels. We analyze the interferences and develop a novel low-complexity yet efficient message passing (MP) algorithm for joint interference cancellation (IC) and symbol detection. The proposed MP algorithm can effectively compensate for a wide range of channel Doppler spreads.

研究の動機と目的

• 高Doppler、時間変動チャネルにおけるOFDMの性能制限を解消すること。特に、高速移動通信において顕著である。
• 理想の双直交パルス整形波形と実用的な長方形パルス整形波形の両方を用いたOTFS変調の遅延-Dopplerドメインにおける入出力関係を分析すること。
• 非理想的な波形によって生じる干渉の種別（子Doppler干渉（IDI）、子搬送波干渉（ICI）、子シンボル干渉（ISI））を特定し、特徴づけること。
• チャネルのスパarsityを活用して、干渉キャンセリングとシンボル検出を統合的に実行する低複雑性メッセージパッシングアルゴリズムを開発すること。
• 現実的な条件下で、長方形波形を用いたOTFSが、理想で実現不可能なパルス整形波形を用いたOTFSと同等の性能を達成できることを実証すること。

提案手法

• 逆シンプレクティック有限フーリエ変換（ISFFT）およびSFFT操作を用いて、遅延-Dopplerチャネル上でのOTFS変調・復調の明示的入出力関係を導出する。
• 干渉成分を分析：理想波形では分数Doppler効果によってIDIが生じるが、長方形波形では不完全な双直交性によりICIおよびISIが発生する。
• スパース要因グラフに基づくメッセージパッシング（MP）アルゴリズムを提案し、ガウス近似を用いて計算複雑性を低減する。
• 周波数ドメインにおける干渉項の整合を図ることで、位相シフトを用いてICIおよびISIをキャンセルする。
• チャネル状態情報が完全に得られない状況でも、最大の干渉項のみを追跡するようにMPアルゴリズムを適応させ、IDIを効率的に低減する。
• 遅延-Dopplerチャネルのスパarsityを活用する反復的検出フレームワークにMPアルゴリズムを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理想の双直交パルス整形波形と実用的な長方形波形の違いが、OTFSシステムにおける干渉特性にどのように影響を与えるか。
• RQ2 長方形波形を用いたOTFSにおいて、支配的となる干渉タイプ（ICI、ISI、IDI）は何か。また、理想波形ケースとどのように異なるか。
• RQ3 低複雑性のメッセージパッシングアルゴリズムが、OTFSにおいて複数の干渉タイプ（ICI、ISI、IDI）を効果的にキャンセルしつつ、高いスペクトル効率を維持できるか。
• RQ4 長方形波形を用いたOTFSが、どの程度まで理想で実現不可能なパルス整形波形を用いたOTFSの性能に近づけるか。
• RQ5 提案されたMPベースの統合検出および干渉キャンセリング方式は、Dopplerスプレッドやチャネル条件が変化する中で、どのように性能を示すか。

主な発見

• 実用的な長方形波形を用いたOTFSは、ICIおよびISIが存在するにもかかわらず、理想で実現不可能なパルス整形波形を用いたOTFSと同等の誤り性能を達成する。
• 提案されたメッセージパッシングアルゴリズムは、位相シフトによりICIおよびISIを効果的に除去し、最大の干渉項に焦点を当てることでIDIを低減する。
• ガウス近似とスパarsityの活用により、広範なDopplerスプレッドにわたりロバストで、低複雑性を維持する。
• シミュレーションにより、さまざまな遅延-Dopplerチャネル条件、特に高速移動環境下において、非コーディングOTFSがOFDMに比べ顕著な誤り性能の向上を示す。
• 遅延-Dopplerドメインで導出された入出力モデルは、長方形波形が双直交性の喪失によってICIおよびISIを引き起こすことを確認する一方で、分数Doppler効果のため、理想ケースでもIDIが持続することを示す。
• 理論的分析とシミュレーションにより、MPアルゴリズムが効率的に収束し、従来の検出手法に比べ計算負荷を大幅に低減しつつ、ほぼ最適性能を達成できることを検証した。