[論文レビュー] Low-Complexity ZF/MMSE Receivers for MIMO-OTFS Systems With Imperfect CSI

P. Singh, Abhishek Gupta+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2020

PAPR reduction in OFDM被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、MIMO-OTFSシステムにおける不完全なチャネル状態情報（CSI）を想定し、MIMO-OTFSチャネル行列の二重巡回構造、ブロックワイズ行列逆行列、およびシュール補完を活用して、計算複雑度を低減しつつ性能を維持する低複雑度ゼロフォーシング（LZ）および最小平均二乗誤差（LM）受信機を提案する。テイラー展開および確率的行列理論を用いて、受信後のSINRのタイトな閉形式近似を導出しており、完全なCSIおよび不完全なCSIの両状況において、ビット誤り率（BER）性能を正確に予測可能である。従来の最先端手法に比べ、複雑度とビット誤り率の両面で優れた性能を達成している。

ABSTRACT

Orthogonal time-frequency space (OTFS) scheme, which transforms a time and frequency selective channel into an almost non-selective channel in the delay-Doppler domain, establishes reliable wireless communication for high-speed moving devices. This work designs and analyzes low-complexity zero-forcing (LZ) and minimum mean square error (LM) receivers for multiple-input multiple-output (MIMO)-OTFS systems with perfect and imperfect receive channel state information (CSI). The proposed receivers provide exactly the same solution as that of the conventional counterparts, and reduce the complexity by exploiting the doubly-circulant nature of the MIMO-OTFS channel matrix, the block-wise inverse, and Schur complement. We also derive, by exploiting the Taylor expansion and results from random matrix theory, a tight approximation of the post-processing signal-to-noise-plus-interference-ratio (SINR) expressions in closed-form for both LZ and LM receivers. We show that the derived SINR expressions, when averaged over multiple channel realizations, accurately characterize their respective bit error rate (BER) of both perfect and imperfect receive CSI. We numerically show the lower BER and lower complexity of the proposed designs over state-of-the-art exiting solutions.

研究の動機と目的

• 従来のZF/MMSE受信機が行列逆行列に起因してO(N_t^3 M^3 N^3)の計算複雑度を示すMIMO-OTFSシステムにおける高い計算複雑度に対処すること。
• MIMO-OTFSチャネル行列の二重巡回構造を活用することで、従来のZF/MMSEと同等の性能を得つつ、計算複雑度を低減する低複雑度線形受信機（LZおよびLM）を設計すること。
• テイラー展開および確率的行列理論を用いて、完全なCSIおよび不完全なCSIの両状況において、LZおよびLM受信機の受信後のSINRに対するタイトで閉形式の近似を導出すること。
• 複数のチャネル実現値におけるシミュレーションと比較することで、導出したSINR式がビット誤り率（BER）性能を正確に特徴づけることを検証し、広範なシミュレーションを要しない信頼性の高い性能予測を可能にすること。

提案手法

• MIMO-OTFSチャネル行列の二重巡回構造を活用して、大規模な行列逆行列をより小さな管理可能なブロックに分解し、計算複雑度を低減する。
• ブロックワイズ行列逆行列およびシュール補完技術を適用し、遅延＝ドップラー領域における有効チャネル行列の逆行列を効率的に計算する。
• チャネル推定誤差の平均の周囲でのSINR式のテイラー展開を用いて、受信後のSINRの閉形式近似を導出する。
• 確率的行列理論の結果を応用して、チャネル行列およびその逆行列の統計的挙動をモデル化し、不完全なCSI下でのSINR式の解析的導出を可能にする。
• チャネル推定誤差がi.i.d.で平均ゼロであるという仮定と、関係する行列のブロック対角構造を用いて、MMSE等価器ゲイン行列の誤差の期待値を導出する。
• 複数のチャネル実現値におけるSINR近似の平均値とシミュレーテッドBERを比較することで、SINR近似の妥当性を検証し、良好な一致を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MIMO-OTFSシステムにおける従来のZFおよびMMSE受信機の計算複雑度を、性能を維持したまま顕著に低減できるか？
• RQ2 MIMO-OTFSチャネル行列の二重巡回的およびブロック構造的性質をどのように活用することで、低複雑度の行列逆行列が実現可能か？
• RQ3 統計的チャネルモデルを用いて、不完全なCSI下でのLZおよびLM受信機の受信後のSINRに対するタイトで閉形式の近似を導出可能か？
• RQ4 導出したSINR近似は、特に不完全なCSI下でも、複数のチャネル実現値における実際のBER性能を正確に予測できるか？
• RQ5 提案された低複雑度受信機は、MIMO-OTFSシステムにおける既存の最先端ソリューションと比較して、BERおよび計算複雑度の両面で優れているか？

主な発見

• 提案されたLZおよびLM受信機は、二重巡回構造とブロックワイズ逆行列を活用することで、従来のZFおよびMMSE受信機と同等の性能を達成しながら、顕著に計算複雑度を低減している。
• 導出したSINR近似はタイトであり、完全なCSIおよび不完全なCSIの両状況において、シミュレーテッドBER性能と密接に一致しており、モンテカルロシミュレーションを要しない正確な性能予測が可能である。
• SINR近似はテイラー展開および確率的行列理論を用いて導出されており、システムパラメータおよび平均チャネル統計にのみ依存する閉形式式である。
• 数値結果から、提案された受信機は、MPおよびLMMSEベースの受信機を含む既存の最先端手法に比べ、低いビット誤り率（BER）と低い計算複雑度を達成していることが示された。
• 行列構造の活用および効率的な逆行列技術を用いることで、MIMO-OTFS検出の複雑度をO(N_t^3 M^3 N^3)からO(N_t^2 M N)に著しく低減している。
• 広範なシミュレーションを通じて、解析的SINR式の平均値が複数のチャネル実現値における実際のBER性能を正確に追跡していることが検証された。