[論文レビュー] Orthogonal Time Frequency Space Modulation

Ronny Hadani, Shlomo Rakib+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 31被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、遅延-Dopplerドメインで動作する新しい2次元変調方式である直交時間周波数空間（OTFS）変調を紹介する。この方式は、時間変動する無線チャネルを、ほぼ一定の利得を持つ時間不変チャネルに変換する。時間および周波数における直交基底関数を活用することで、全チャネルダイバーシティを活用し、高移動度および短パケット状況においてOFDMに比べ最大4 dBのブロック誤り率（BLER）の改善を達成する。これにより、フィードバックオーバーヘッドが著しく削減され、5G以降のシステムにおける耐障害性が向上する。

ABSTRACT

This paper introduces a new two-dimensional modulation technique called Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) modulation. OTFS has the novel and important feature of being designed in the delay-Doppler domain. When coupled with a suitable equalizer, OTFS modulation is able to exploit the full channel diversity over both time and frequency. Moreover, it converts the fading, time-varying wireless channel experienced by modulated signals such as OFDM into a time-independent channel with a complex channel gain that is essentially constant for all symbols. This design obviates the need for transmitter adaptation, and greatly simplifies system operation. The paper describes the basic operating principles of OTFS as well as a possible implementation as an overlay to current or anticipated standardized systems. OTFS is shown to provide significant performance improvement in systems with high Doppler, short packets, and/or large antenna array. In particular, simulation results indicate at least several dB of block error rate performance improvement for OTFS over OFDM in all of these settings.

研究の動機と目的

• 送信機でのチャネル状態情報（CSI）の取得が現実的でない高ドップラー、高移動度、短パケット無線システムにおけるOFDMの限界を解消すること。
• 時間変動するマルチパスフェージングに対しても、有効スナップショットノイズ比（SNR）が安定したままである変調方式を開発すること。
• 遅延-Dopplerドメインに変調を再定義することで、時間および周波数全域にわたる完全なダイバーシティの活用を可能とすること。
• 特にV2Xおよびミリ波通信において、制限付きまたは無しのCSIフィードバックを想定したシステムで、フィードバックオーバーヘッドと複雑さを低減すること。
• 安定的かつ予測可能なチャネル動作を提供することで、マスティブMIMOおよび低遅延アプリケーションにおける強固な性能を実現すること。

提案手法

• OTFSは、送信フレーム全体にわたる時間および周波数の両方の時間的・周波数的持続期間をカバーする2次元直交基底関数にデータシンボルを変調する。
• システムは、時間変動する無線チャネルを、各シンボルごとに一定の複素利得を持つ遅延-Dopplerドメインチャネルに変換し、効果的に時間不変チャネルとする。
• 変調は、窓関数の離散シミレクティックフーリエ変換を用いて実装され、遅延-Dopplerドメインにおけるチャネルのコンact表現を可能にする。
• 等化処理を遅延-Dopplerドメインで実行することで、全チャネルダイバーシティを抽出し、すべてのシンボルが同じチャネル利得を経験することを保証する。
• デモジュレーションプロセスは、チャネルインパulse応答と変換された窓関数との畳み込みを含み、Zak変換およびシミレクティックフーリエ変換を用いて数学的に導出される。
• 拡散を時間および周波数の両方向に拡張しながら、直交性とドップラー拡散に対する耐性を維持する点で、OFDMおよびCDMAを一般化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィードバックが現実的でない高移動度環境において、安定したSNRを維持できる変調方式を設計可能か？
• RQ2 遅延-Dopplerドメインで動作させることで、時間変動チャネルにおいてOFDMに比べ、全ダイバーシティ抽出と誤り率性能の向上が達成可能か？
• RQ3 高ドップラー状況において、OTFSはOFDMに比べ、チャネル利得変動の標準偏差をどの程度低減するか？
• RQ4 OFDMがダイバーシティが低下する短パケットおよびマルチユーザー環境において、OTFSはどのように性能を示すか？
• RQ5 コンactな遅延-Dopplerチャネル表現を有することから、OTFSはマスティブMIMOおよび高密度リファレンス信号配置をサポートできるか？

主な発見

• OTFSは、チャネルパワー変動の標準偏差をOFDMの4 dBから0.1 dBにまで低減し、非常に安定した有効SNRを実現する。
• 120 km/hの高移動度状況（10 msウィンドウ）において、OTFSはSNRの標準偏差が0.2 dBにとどまる一方、OFDMは4 dBを超える。
• 1 msウィンドウでは、1%のアウトージ率を満たすためにOFDMに比べ7 dBのフェージングマージン要件が低減される。
• 高ドップラー、短パケット、ミリ波システムにおいて、OTFSはOFDMに比べて少なくとも2–4 dBのブロック誤り率（BLER）の改善を達成する。
• 4 PRBおよび16QAM条件下では、OTFSは全SNR範囲で安定した性能を維持するが、OFDMは低SNRで顕著な性能劣化を示す。
• OTFSは、2から50 PRBまでのパケットサイズにわたり、ほぼ一定のBLERを維持する。一方、OFDMはパケットサイズが小さくなるに従い、性能が急激に劣化する。