[論文レビュー] On the Effectiveness of OTFS for Joint Radar and Communication

Lorenzo Gaudio, Mari Kobayashi+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2019

PAPR reduction in OFDM参考文献 36被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、車両環境における連合レーダおよび通信に、直交時間周波数空間（OTFS）変調を用いることを提案する。これにより、FMCWレーダに相当する高精度な遅延-Doppler推定が可能となり、同時にデータ通信のスペクトル効率を完全に維持できる。本手法は、レーダパラメータ推定に効率的な近似最大尤度推定器を採用し、低複雑性のメッセージパッシング型ソフト出力検出器を用いることで、既存手法に比べ顕著な実用的利点を示す、近似的最適性能を達成する。

ABSTRACT

We consider a joint radar estimation and communication system using orthogonal time frequency space (OTFS) modulation. The scenario is motivated by vehicular applications where a vehicle equipped with a mono-static radar wishes to communicate data to its target receiver, while estimating parameters of interest related to this receiver. In a point-to-point communication setting over multi-path time-frequency selective channels, we study the joint radar and communication system from two perspectives, i.e., the radar estimation at the transmitter as well as the symbol detection at the receiver. For the radar estimation part, we derive an efficient approximated Maximum Likelihood algorithm and the corresponding Cramér- Rao lower bound for range and velocity estimation. Numerical examples demonstrate that multi-carrier digital formats such as OTFS can achieve as accurate radar estimation as state-of-the-art radar waveforms such as frequency-modulated continuous wave (FMCW). For the data detection part, we focus on separate detection and decoding and consider a soft-output detector that exploits efficiently the channel sparsity in the Doppler-delay domain. We quantify the detector performance in terms of its pragmatic capacity, i.e. the achievable rate of the channel induced by the signal constellation and the detector soft output. Simulations show that the proposed scheme outperforms concurrent state-of-the-art solutions. Overall, our work shows that a suitable digitally modulated waveform enables to efficiently operate joint radar and communication by achieving full information rate of the modulation and near-optimal radar estimation performance. Furthermore, OTFS appears to be particularly suited to the scope.

研究の動機と目的

• 高動的移動体環境における連合レーダおよび通信にOTFSを統合波形として評価すること。
• 通信のスペクトル効率を損なわずに正確なレーダ推定（距離および速度）を達成する課題に対処すること。
• Doppler遅延ドメインにおけるチャネルスパarsityを活用した、低複雑性のソフト出力検出方式をOTFSに設計すること。
• 現実的なマルチパスおよび時間周波数選択的 fading 条件下でのOTFSの実用的容量を定量化すること。
• 推定精度および実現可能レートの観点から、最先端のレーダ波形（例：FMCW）および通信検出器と比較してOTFSの性能を評価すること。

提案手法

• 受信信号からバックプロパゲーションされたOTFS信号の遅延およびDopplerシフト（距離および速度）を連合推定する、効率的な近似最大尤度（ML）アルゴリズムを提案する。
• 遅延およびDoppler推定の理論的性能限界を確立するため、Cramér-Rao下界（CRLB）を導出する。
• 受信信号を条件とする送信シンボルの結合後確率分布の要因グラフ表現に基づき、メッセージパッシング（MP）ソフト出力検出器を構築する。
• 和積アルゴリズム（SPA）を要因グラフに適用することで、スパースなチャネル応答を持つOTFSシステムにおける低複雑性かつ並列処理可能な検出を実現する。
• 集合形状および検出器のソフト出力を考慮した実用的容量指標を用いて通信性能を評価する。
• 直交パルスの仮定に依存しない、実際のチャネルモデル（長方形パルス、非整数Doppler遅延シフトを含む）を用いて、提案手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OTFSは、専用のFMCW波形に匹敵するレーダ推定精度を達成しつつ、完全レートのデータ通信をサポートできるか？
• RQ2 推定MSEおよび実現可能レートの観点から、OTFSベースの連合レーダおよび通信は、従来のOFDMおよびFMCWと比較してどの程度の性能を示すか？
• RQ3 非整数Dopplerおよび遅延シフトが、実際のグリッド非整合チャネル条件下におけるOTFS検出アルゴリズムの性能に与える影響は何か？
• RQ4 低複雑性のメッセージパッシング検出器は、スパースな遅延-Dopplerチャネル応答を持つOTFSシステムで近似的最適性能を達成できるか？
• RQ5 提案されたMPベースの検出器は、高複雑性のLMMSEおよび先行MP手法と比較して、性能およびチャネル不一致に対するロバストネスにおいて優れているか？

主な発見

• OTFSは、マルチパス環境下においても、距離および速度推定における平均二乗誤差（MSE）の観点でFMCWと同等のレーダ推定性能を達成する。
• 提案された近似ML推定器は、CRLBに近い性能を達成しており、遅延-Doppler推定の高精度性を実証している。
• MPベースのソフト出力検出器は、[19]の手法を上回り、非整数Dopplerおよび遅延シフト下でも、先行手法とは異なり最小限の性能劣化を示す。
• 提案されたOTFSシステムの実用的容量は、同時期の最先端ソリューションを上回っており、特に散乱が豊富な環境下で顕著である。
• 文献[26]の低複雑性LMMSE推定器は、実際の長方形パルスモデルでは二重ブロック巡回構造が失われるため、その仮定が成立せず、無効となる。
• 提案されたMP検出器は、性能と複雑性のトレードオフに優れており、P=3,4では高複雑性のブロックワイドLMMSEイコライザを上回り、P=1,2では依然として競争力を持つ。