[論文レビュー] Iterative Detection for Orthogonal Time Frequency Space Modulation Using Approximate Message Passing with Unitary Transformation.

Zhengdao Yuan, Fei Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2020

PAPR reduction in OFDM被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、直交時間周波数空間（OTFS）変調のユニタリ変換に基づく近似メッセージパッシング（UTAMP）検出器を提案する。チャネル行列のブロック巡回構造を活用することで、OTFSブロック長に対して対数スケールの複雑さに低減される。この手法はノイズ分散推定を組み込み、特に大きなまたは分数のドップラー周波数シフトを伴う高速度移動環境において、最先端の検出器を上回る優れた性能を達成する。

ABSTRACT

The orthogonal time frequency space (OTFS) modulation has emerged as a promising modulation scheme for high mobility wireless communications. To harvest the time and frequency diversity promised by OTFS, some promising detectors, especially message passing based ones, have been developed by taking advantage of the sparsity of the channel in the delay-Doppler domain. However, when the number of channel paths is relatively large or fractional Doppler shift has to be considered, the complexity of existing detectors is a concern, and the message passing based detectors may suffer from performance loss due to the short loops involved in message passing. In this work, we investigate the design of OTFS detectors based on the approximate message passing (AMP) algorithm. In particular, AMP with unitary transformation (UTAMP) based detectors are developed, which enjoy the structure of the channel matrix and allow efficient implementation, e.g., by exploiting the property of block circulant matrix with circulant block (BCCB), the complexity of the UTAMP-based detector per symbol is in the order of the logarithm of OTFS block length. In addition, the estimation of noise variance is incorporated into the UTAMP-based detectors (while existing detectors assume perfect noise variance). Thanks to the robustness of UTAMP relative to AMP, the UTAMP-based detectors are able to deliver much better performance, and outperform state-of-the-art detectors significantly. The investigations are also extended to iterative joint detection and decoding in a coded OTFS system, where the OTFS detectors are integrated into a powerful turbo receiver, leading to a considerable performance gain.

研究の動機と目的

• 大または分数のドップラー周波数シフトを伴うOTFSシステムにおける、既存のメッセージパッシングベース検出器の高い計算複雑さに対処する。
• 反復的検出における短いループによる性能劣化を克服する。
• OTFSチャネル行列の構造的性質を活用した、低複雑性で頑健な検出フレームワークを開発する。
• 完全なノイズ知識を仮定せずに、検出プロセスにノイズ分散推定を統合して耐障害性を向上させる。
• 符号化OTFSシステムにおける反復的共同検出とデコーディングへの拡張により、性能を向上させる。

提案手法

• チャネル行列のブロック巡回行列（BCCB）構造を活用するため、ユニタリ変換を適用することで、近似メッセージパッシング（AMP）アルゴリズムをOTFS検出に適応化する。
• BCCB性質を活用して、効率的な行列-ベクトル乗算を実現し、シンボルごとの複雑さをOTFSブロック長に対して対数スケールに低減する。
• UTAMPフレームワーク内にノイズ分散推定を統合し、ノイズ知識が不完全な場合の耐障害性を向上させる。
• UTAMPベースの検出器をターボ受信機フレームワークに統合することで、反復的共同検出とデコーディングアーキテクチャを設計する。
• チャネル行列の構造を活用して、高速フーリエ変換（FFT）ベースの演算を可能にし、計算オーバーヘッドを最小限に抑える。
• ユニタリ変換によりチャネル行列を条件付け、AMPの収束性と安定性を向上させることで、不適切な条件の影響に対する耐障害性を強化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メッセージパッシングベースのOTFS検出器の複雑さを、性能を維持または向上させつつ顕著に低減できるか？
• RQ2 ノイズ分散推定を組み込むことで、実用的状況におけるOTFS検出の耐障害性と精度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 大きなまたは分数のドップラー周波数シフトを伴う高速度移動環境において、UTAMPフレームワークは従来のAMPおよび最先端の検出器をどの程度上回るか？
• RQ4 OTFSチャネル行列の構造的性質（例：BCCB）を効果的に活用して、低複雑性検出を実現できるか？
• RQ5 UTAMPベースの検出器を反復的共同検出・デコーディング（ターボ）受信機に統合することで、どの程度の性能向上が達成できるか？

主な発見

• UTAMPベースの検出器は、OTFSブロック長に対して対数スケールでシンボルごとの複雑さが増加するため、計算負荷が顕著に低減される。
• 特に大きなまたは分数のドップラー周波数シフトを伴う状況において、最先端の手法を上回る優れた性能を示す。
• ノイズ分散推定の統合により耐障害性が向上し、ノイズ電力が不完全に知られている場合でも信頼性の高い検出が可能になる。
• ユニタリ変換の使用により、AMPアルゴリズムの安定性と収束性が向上し、短いループによる性能劣化が緩和される。
• 反復的共同検出とデコーディングにおいて、UTAMPベースのターボ受信機は従来の検出方式に比べて顕著な性能向上を達成する。
• 本手法は高い精度と低遅延を維持しており、高速度移動無線通信システムに適している。