[論文レビュー] Low-Complexity Equalization for Orthogonal Time and Frequency Signaling (OTFS)

Thomas Zemen, Markus Hofer+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2017

PAPR reduction in OFDM参考文献 18被引用数 37

ひとこと要約

本稿では、繰り返しMMSE均衡とソフトシンボルフィードバックに基づく干渉キャンセリング、およびスフィアデコーダを用いたニア・マクシマム・リクエスト・リクエスト（ML）デコードを組み合わせた、低複雑性の均衡方式を提案する。この手法は、高速移動（200 km/h）条件下でビット誤り率 $10^{-4}$ のときOFDMに対して5 dBの利得を達成し、周波数選択的フェージング環境における時間的・周波数的ダイバーシティの有効な活用を示している。

ABSTRACT

Recently, a new precoding technique called orthogonal time-frequency signaling (OTFS) has been proposed for time- and frequency-selective communication channels. OTFS precodes a data frame with a complete set of spreading sequences and transmits the results via orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). OTFS uses two dimensional (2D) linear spreading sequences in time and frequency which are the basis functions of a symplectic Fourier transform. OTFS allows the utilization of time- and frequency-diversity but requires maximum likelihood decoding to achieve full diversity. In this paper we show performance results of a low-complexity equalizer using soft-symbol feedback for interference cancellation after an initial minimum-mean square error equalization step. Performance results for an implementation in the delay-Doppler domain and in the time-frequency domain are compared. With our equalizer, OTFS achieves a gain of 5dB compared to OFDM for a bit error rate of $10^{-4}$ and a velocity of $200\, ext{km/h}$.

研究の動機と目的

• 時間的・周波数的選択的フェージング環境に起因する符号間干渉（ISI）の問題に対処すること。
• 完全な最大尤度デコードの高コストを回避しつつ、低計算量でOTFSにおける完全なダイバーシティの活用を可能にすること。
• OTFSにおける時間周波数（TF）ドメインと遅延ドップラー（DD）ドメインにおける均衡の性能を比較すること。
• 繰り返し検出とソフトシンボルフィードバックが、実時間システムにおいて実用的である一方でML性能に近づけることを実証すること。

提案手法

• 本手法は2段階の繰り返し検出プロセスを採用する：最初にMMSE均衡を実行し、その後ソフトシンボルフィードバックを用いた逐次干渉キャンセリング（SIC）を実施する。
• 2回目以降の反復では、計算量を低減しつつ最大尤度検出に近い性能を達成するため、ソフト出力スフィアデコーダを採用する。
• アルゴリズムは時間周波数（TF）ドメインおよび遅延ドップラー（DD）ドメインの両方で実装・比較され、2つのドメイン間の線形関係を活用する。
• 信号モデルには、2次元離散シミレクティック・フーリエ変換（DSFT）を用いて、各データシンボルを全時間周波数グリッドに分散させる前処理を実施する。
• 干渉キャンセリングは、事前に検出されたシンボルの影響をソフト情報に基づいて推定・減算することで、繰り返し実行する。
• 受信機ではパイロットシンボルを用いて遅延ドップラーまたは時間周波数ドメインで得られる完全なチャネル状態情報（CSI）を仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフトシンボルフィードバックを用いた繰り返し均衡は、大幅に計算量を削減しつつ、OTFSでニア・マクシマム・リクエスト・リクエスト（ML）性能に近づけるか？
• RQ2 高速移動環境下におけるOTFSにおいて、時間周波数ドメインでの均衡と遅延ドップラー・ドメインでの均衡の性能はどのように比較されるか？
• RQ3 時間的・周波数的選択的フェージング環境下で、高速移動時におけるOTFSのOFDMに対する実現可能なダイバーシティ利得はどの程度か？
• RQ4 提案された繰り返し検出方式で、ニア・オプティマル性能に到達するには何回の反復が必要か？

主な発見

• 提案された均衡方式は、200 km/hの速度下でビット誤り率 $10^{-4}$ のときOFDMに対して5 dBの利得を達成した。
• 2回目の反復で最大の性能向上が得られ、0 km/hでは1回目と比較して2.5 dBの改善が見られ、200 km/hでも同程度の向上が確認された。
• 遅延ドップラー（DD）ドメインでの均衡は、時間周波数（TF）ドメインでの均衡とほぼ同一の性能を示し、2つのドメインが線形変換のもとで等価であることを裏付けた。
• 3回の反復でニア・オプティマル性能が達成され、3回目以降にさらなる向上は観測されなかった。
• 本方式は時間（ドップラー）的および周波数的ダイバーシティを効果的に活用でき、車両通信ネットワークのような高速移動環境でも信頼性の高い通信を可能にした。
• ソフトシンボルフィードバックとソフト出力スフィアデコーダの使用により、ブルートフォースMLデコードに比べて著しく計算量を削減しつつ、ニア・ML性能を実現できた。