[論文レビュー] Multi-Carrier Modulation: An Evolution from Time-Frequency Domain to Delay-Doppler Domain

Hai Lin, Jinhong Yuan+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2023

PAPR reduction in OFDM被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、遅延-Doppler（DD）ドメインにおける細分化された直交性を実現する次世代マルチキャリア変復調方式として、直交遅延-Doppler分割多重（ODDM）を提案する。この方式は、二重選択的 fading 環境においても高い耐障害性を示し、6Gおよび統合センシングと通信（ISAC）への応用が期待される。

ABSTRACT

The recently proposed orthogonal delay-Doppler division multiplexing (ODDM) modulation, which is based on the new delay-Doppler (DD) domain orthogonal pulse (DDOP), is studied. A substantial benefit of the DDOP-based ODDM or general delay-Doppler domain multi-carrier (DDMC) modulation is that it achieves orthogonality with respect to the fine time and frequency resolutions of the DD domain. We first revisit the family of wireless channel models conceived for linear time-varying (LTV) channels, and then review the conventional multi-carrier (MC) modulation schemes and their design guidelines for both linear time-invariant (LTI) and LTV channels. Then we discuss the time-varying property of the LTV channels' DD domain impulse response and propose an impulse function based transmission strategy for equivalent sampled DD domain (ESDD) channels. Next, we take an in-depth look into the DDOP and the corresponding ODDM modulation to unveil its unique input-output relation for transmission over ESDD channels. Then, we point out that the conventional MC modulation design guidelines based on the Wely-Heisenberg (WH) frame theory can be relaxed without compromising its orthogonality or without violating the WH frame theory. More specifically, for a communication system having given bandwidth and duration, MC modulation signals can be designed based on a WH subset associated with sufficient (bi)orthogonality, which governs the (bi)orthogonality of the MC signal within the bandwidth and duration. This novel design guideline could potentially open up opportunities for developing future waveforms required by new applications such as communication systems associated with high delay and/or Doppler shifts, as well as integrated sensing and communications, etc.

研究の動機と目的

• 二重選択的かつ時間変動的なチャネルにおける従来の直交周波数分割多重（OFDM）の限界を解消するため、新たな変復調ドメインを導入すること。
• 細分化された時間周波数分解能を持つ直交パルスを用いた遅延-Dopplerドメインマルチキャリア（DDMC）変復調の理論的基盤を検討すること。
• ODDMの将来の6Gシステム、特に統合センシングと通信（ISAC）および宇宙-空-地上統合ネットワークへの応用を調査すること。
• 同期誤差やスペクトル効率といった、ODDMの実装における性能トレードオフとシステムレベルの課題を分析すること。

提案手法

• 遅延-Dopplerドメイン直交パルス（DDOP）に基づく直交遅延-Doppler分割多重（ODDM）を提案し、遅延およびDoppler両次元で直交性を達成する。
• DDOPのあいまいさ関数を導出し、直交性を証明する。その結果、DDドメインにおけるクロスあいまいさ応答がDirac-delta関数に類似していることが示された。
• 線形時間変動（LTV）チャネルモデルを再考し、従来の線形時間不変（LTI）モデルと比較することで、DDドメイン変復調の必要性を裏付ける。
• 時間選択的および周波数選択的 fading チャネル下でのODDMの性能を分析し、シンボル間干渉およびサブキャリア間干渉に対する耐性を示した。
• 実装上の実用性を高めるために、信号波形のサイクリックエクステンション技術（例：u_ce(t)）を導入し、周期性と直交性を維持する。
• 時間周波数ドメインと遅延-Dopplerドメイン間の信号マッピングに、逆シンプレクティック有限フーリエ変換（ISFFT）および離散フーリエ変換（DFT）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ODDMは、従来のOFDMが時間周波数ドメインで使用する方式と比較して、遅延-Dopplerドメインでどのように直交性を達成するか？
• RQ2 高Dopplerス预まりを示す二重選択的かつ時間変動的な無線チャネル下で、ODDMはOFDMに比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ3 DDOPパルスの使用が、キャリア周波数オフセットおよびタイミング同期誤差に対するシステムの耐障害性に与える影響は何か？
• RQ4 統合センシングと通信（ISAC）システムにおけるODDMの実現可能なデータレートおよびスペクトル効率はどの程度か？
• RQ5 ODDMは、既存の6G波形と効果的に統合可能であり、カバレッジと信頼性を向上させるために、宇宙-空-地上ネットワークに統合可能か？

主な発見

• DDOPパルスの使用により、ODDMは遅延-Dopplerドメインで完全な直交性を達成する。あいまいさ関数の解析により、|n| ≤ N−1 および |m| ≤ M−1 の範囲で δ(n)δ(m) を得ることを証明した。
• 高速移動環境下で、Dopplerスプリッドおよび時間選択的フェージングに対する内在的耐性を有するため、従来のOFDMに比べて優れた性能を発揮する。
• 信号波形のサイクリックエクステンション（u_ce(t)）により、周期性が保たれ、サブパルス間の直交性が維持される。これにより実装が可能になる。
• 理論的解析により、拡張信号と元のパルスとの間のクロスあいまいさ応答が非ゼロラグでゼロとなることが確認され、直交性の性質が裏付けられた。
• ODDMはISACシステムへの統合に強く適しており、通信とセンシングの両方を統一波形で実現し、分解能と耐障害性の向上を実現する。
• 動的伝搬環境下での効率的なマルチユーザーおよびマルチサービス運用を可能にするため、将来の6Gアプリケーション、特に宇宙-空-地上統合ネットワークへの応用を支援するフレームワークを提供する。