[論文レビュー] Low Complexity Channel Estimation for OTFS Modulation with Fractional Delay and Doppler

Imran Ali Khan, Saif Khan Mohammed|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2021

PAPR reduction in OFDM被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、分数遅延およびドップラー拡散を有するOTFSシステム向けに、低複雑性なチャネル推定手法2つ——修正最大尤度推定法（M-MLE）および2段階推定法（TSE）——を提案する。細かい遅延-ドップラー分解能を活用することで、同時推定を各パスごとの1次元推定に分離し、OMP や SBL よりも優れた精度と低い複雑性を達成する。特に、単一アンテナの高移動度環境において顕著である。

ABSTRACT

We consider the problem of accurate channel estimation for OTFS based systems with few transmit/receive antennas, where additional sparsity due to large number of antennas is not a possibility. For such systems the sparsity of the effective delay-Doppler (DD) domain channel is adversely affected in the presence of channel path delay and Doppler shifts which are non-integer multiples of the delay and Doppler domain resolution. The sparsity is also adversely affected when practical transmit and receive pulses are used. In this paper we propose a Modified Maximum Likelihood Channel Estimation (M-MLE) method for OTFS based systems which exploits the fine delay and Doppler domain resolution of the OTFS modulated signal to decouple the joint estimation of the channel parameters (i.e., channel gain, delay and Doppler shift) of all channel paths into separate estimation of the channel parameters for each path. We further observe that with fine delay and Doppler domain resolution, the received DD domain signal along a particular channel path can be written as a product of a delay domain term and a Doppler domain term where the delay domain term is primarily dependent on the delay of this path and the Doppler domain term is primarily dependent on the Doppler shift of this path. This allows us to propose another method termed as the two-step method (TSE), where the joint two-dimensional estimation of the delay and Doppler shift of a particular path in the M-MLE method is further decoupled into two separate one-dimensional estimation for the delay and for the Doppler shift of that path. Simulations reveal that the proposed methods (M-MLE and TSE) achieve better channel estimation accuracy at lower complexity when compared to other known methods for accurate OTFS channel estimation.

研究の動機と目的

• 大規模MIMOによる追加のスパarsityが欠如する単一アンテナ構成のOTFSシステムにおける正確なチャネル推定の課題に対処すること。
• 非整数遅延およびドップラーシフトと実用的な送信／受信パルス形状によって低下するチャネルのスパarsityを克服すること。
• 分数遅延およびドップラー拡散下でも高い精度を維持する低複雑性の推定手法を開発すること。
• 利得、遅延、ドップラーのチャネルパラメータの同時推定を、各パスごとの分離可能な推定に分離すること。
• 従来の手法（OMP や SBL など）と比較して、計算複雑性を低減しつつ、完全なCSIに近い性能を達成すること。

提案手法

• 各パスごとの利得、遅延、ドップラーシフトの同時推定を分離可能な最大尤度推定に分解する、修正最大尤度推定法（M-MLE）を提案する。
• OTFSにおける細かい遅延-ドップラー分解能を活用し、受信信号を各パスごとに遅延領域およびドップラー領域の積としてモデル化する。
• 2段階推定法（TSE）を導入し、遅延とドップラーの2次元同時推定を2つの分離可能な1次元推定にさらに分離する。
• 信号スティーリングベクトルの漸近的直交性を用いて分離を正当化し、パス間干渉を最小限に抑える。
• 行列逆行列を回避することで、結合MLやスパース回復ベースの手法と比較して計算複雑性を低減する。
• 遅延-ドップラー領域における信号モデルを用いて推定問題を定式化し、チャネル応答を遅延およびドップラーにおける重み付き複素指数関数の和として表現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分数遅延およびドップラー拡散下でも、OTFSにおけるチャネルパラメータの同時推定が、各パスごとに分離可能な1次元推定（遅延およびドップラー）に効果的に分解可能か。
• RQ2 非整数遅延およびドップラーシフトによってスパarsityが低下する状況において、OTFSの細かい遅延-ドップラー分解能が推定精度をどのように向上させるか。
• RQ3 単一アンテナOTFSシステムにおいて、提案手法M-MLEおよびTSEの性能-複雑性トレードオフは、OMPおよびSBLと比較していかなるものか。
• RQ4 信号ベクトルの漸近的直交性が、提案手法における分離戦略をどの程度支持するか。
• RQ5 提案手法のSER性能は、完全なチャネル状態情報（CSI）を用いた場合にどれほど近いか。

主な発見

• 遅延およびドップラー領域の分解能が十分に細かい場合、提案手法M-MLEおよびTSEは、OMPおよびSBLよりも優れたチャネル推定精度を達成する。
• TSEは遅延とドップラー推定を2つの分離可能な1次元ステップに分離することで、M-MLEよりも低い複雑性を実現する。
• 提案手法のSER性能は、完全なCSIを用いた場合と非常に近い水準にあり、高い推定忠実度を示している。
• 行列逆行列を回避することで、結合MLやスパース回復ベースの手法と比較して、顕著に低い計算複雑性を達成する。
• 信号ベクトルの漸近的直交性が分離戦略を支持しており、特にドップラー差が1/(NT)を超える場合、パス間干渉が低減され、有効である。
• シミュレーションにより、チャネルパスに非整数遅延およびドップラーシフトが存在する場合でも、スパarsityが低下しても、手法が高い精度を維持することが確認された。