[論文レビュー] Multiple Access in the Delay-Doppler Domain using OTFS modulation

G. D. Surabhi, Rose Mary Augustine+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2019

PAPR reduction in OFDM参考文献 16被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、高速移動環境における上行リンクにおいて、遅延-Dopplerリソースブロック（DDRB）をユーザーに割り当てることで、OTFSに基づく多重アクセス（OTFS-MA）を提案する。遅延、Doppler、または空間的サブセットにおいてユーザーを多重化することで、OTFS-MAは、特にメッセージパッシング検出とパイロット支援チャネル推定を用いることで、完全なチャネル知識に近い状況において、OFDMA や SC-FDMA より優れたビット誤り率（BER）性能を達成する。

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is a recent modulation scheme designed in the delay-Doppler domain. It has been shown to achieve superior performance compared to conventional multicarrier modulation schemes designed in the time-frequency domain. In this paper, we consider OTFS based multiple access (OTFS-MA), where delay-Doppler bins serve as the resource blocks for multiple access. Different delay-Doppler resource blocks (DDRBs) in the delay-Doppler grid are allocated to different users for multiple access. We consider three different DDRB allocation schemes. While Scheme 1 multiplexes the users along the delay axis, Scheme 2 multiplexes them along the Doppler axis. In both these schemes, each user's signal spans the entire time-frequency plane. Scheme 3 allocates the DDRBs in such a way that each user's signal is limited to span only over a subset of the time-frequency plane. We study the performance of OTFS-MA in high mobility environments on the uplink and compare it with those of OFDMA and SC-FDMA. Our results show that OTFS-MA (with maximum-likelihood detection in small dimension systems and with a message passing based detection in large dimension systems) achieves better performance compared to OFDMA and SC-FDMA. We also present the performance of a multiuser channel estimation scheme using pilot symbols placed in the delay-Doppler grid.

研究の動機と目的

• 直交時間周波数空間（OTFS）変調方式を用いて、高速移動無線チャネルにおける効率的なマルチユーザーアクセスを可能にすること。
• 高いDopplerスプリットを示す二重分散チャネルにおいて、従来の OFDMA や SC-FDMA の限界を解消すること。
• OTFS-MA における遅延多重化、Doppler多重化、空間的制限付きの3つの DDRB 割り当て方式（遅延多重化、Doppler多重化、空間的制限付き）の設計と評価。
• 上行リンク OTFS-MA における遅延-Dopplerドメインでのパイロットベースのチャネル推定方式の開発と検証。
• 現実的な高速移動条件下で、OTFS-MA の BER 性能を OFDMA や SC-FDMA と比較すること。

提案手法

• OTFS-MA は、DDRB をユーザー多重化の直交リソースブロックとして使用する2次元リソースグリッドとして遅延-Dopplerドメインを利用する。
• 3つの DDRB 割り当て方式を提案する：方式1（遅延に沿ったユーザー多重化）、方式2（Doppler に沿ったユーザー多重化）、方式3（時間周波数平面の空間的制限付きサブセット）。
• 小規模システムでは最大尤度（ML）検出が使用され、大規模システムでは複雑性低減のためメッセージパッシング（MP）検出が適用される。
• パイロットシンボルは、遅延-Dopplerグリッド上にデルタインパルスとして配置され、チャネルスプリットによる干渉を防ぐためにガードゾーンが設けられる。これは、チャネルインパルス応答との2次元畳み込みでモデル化される。
• チャネル推定は受信パイロット信号を用いて実施され、推定されたチャネルは、分数Doppler効果を考慮した真のチャネル応答の巡回シフト版で与えられる。
• 性能評価は、指数分布型のパワー遅延プロファイルと Jakes Doppler スペクトルを有するRayleigh fadingチャネルを用い、パイロットSNRを変化させることで推定精度を評価するBERを用いて実施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OTFS-MA は、高速移動上行リンク環境において、OFDMA や SC-FDMA と比較してどのように性能を発揮するか？
• RQ2 異なる DDRB 割り当て方式（遅延、Doppler、または空間的制限付き）が、OTFS-MA の BER 性能に与える影響は何か？
• RQ3 遅延-Dopplerドメインにおけるパイロットベースのチャネル推定は、OTFS-MA で近似完全なチャネル知識を達成できるか？
• RQ4 大規模 OTFS-MA システムにおいて、メッセージパッシング検出は最大尤度検出と比較して、BER と複雑性の点でどのように異なるか？
• RQ5 どのパイロットSNR閾値が、チャネル推定誤差が BER 性能を著しく低下させないよう保証するか？

主な発見

• メッセージパッシング検出を用いた OTFS-MA は、特に高SNRにおいて、高速移動環境下で OFDMA や SC-FDMA よりも優れた BER 性能を達成する。
• 小規模システムでは、最大尤度検出を用いた OTFS-MA が OFDMA や SC-FDMA を上回り、二重分散チャネルにおける OTFS のロバスト性を示している。
• パイロットSNRが36 dB以上では、チャネル推定の正規化平均二乗誤差（MSE）が0.01未満に低下し、高い推定精度を示している。
• パイロットSNRが40 dBおよび50 dBのとき、推定チャネルを用いた BER 性能は完全なチャネル知識の状況と1 dB以内に収まり、提案されたパイロットベース推定の有効性を確認している。
• パイロット配置方式により、各ユーザーのDoppler方向で最大(αu,i)以上離隔して配置されることで、干渉のない受信が保証され、ガードゾーン要件を満たしている。
• 方式3は、各ユーザーの信号を時間周波数平面のサブセットに制限することで、以前に[16]で分析されたように、より高い合計スループットを達成しており、スペクトル効率に寄与している。