[論文レビュー] Performance Analysis of Coded OTFS Systems over High-Mobility Channels

Shuangyang Li, Jinhong Yuan+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2020

PAPR reduction in OFDM参考文献 26被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、高速度移動環境における符号付きOTFSシステムの性能解析を提示し、符号誤り確率（PEP）の上界を導出し、符号増幅と分散増幅の根本的トレードオフを明らかにしている。解析により、OTFSは高速度移動状況においてOFDMを上回る性能を示しており、性能は二乗ユークリッド距離と解像可能なチャネルパスに依存する。

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is a recently developed multi-carrier multi-slot transmission scheme for wireless communications in high-mobility environments. In this paper, the error performance of coded OTFS modulation over high-mobility channels is investigated. We start from the study of conditional pairwise-error probability (PEP) of the OTFS scheme, based on which its performance upper bound of the coded OTFS system is derived. Then, we show that the coding improvement for OTFS systems depends on the squared Euclidean distance among codeword pairs and the number of independent resolvable paths of the channel. More importantly, we show that there exists a fundamental trade-off between the coding gain and the diversity gain for OTFS systems, i.e., the diversity gain of OTFS systems improves with the number of resolvable paths, while the coding gain declines. Furthermore, based on our analysis, the impact of channel coding parameters on the performance of the coded OTFS systems is unveiled. The error performance of various coded OTFS systems over high-mobility channels is then evaluated. Simulation results demonstrate a significant performance improvement for OTFS modulation over the conventional orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation over high-mobility channels. Analytical results and the effectiveness of the proposed code design are also verified by simulations with the application of both classical and modern codes for OTFS systems.

研究の動機と目的

• 高速度・二重分散チャネルにおける符号付きOTFS変復調の誤り性能を分析すること。
• 符号付きOTFSシステムの条件付き符号誤り確率（PEP）の理論的上界を導出すること。
• チャネル符号化パrameterがOTFS性能に与える影響、特に符号増幅と分散増幅の相互作用を調査すること。
• 古典的および現代的チャネル符号を用いたシミュレーションを通じて理論的解析を検証すること。
• 高速列車やUAVなどの高速度移動環境において、OTFSが従来のOFDMを上回ることを示すこと。

提案手法

• 遅延ドップラー（DD）ドメインにおけるOTFS変復調の条件付き符号誤り確率（PEP）を導出する。
• PEP解析に基づき、符号付きOTFSシステムの誤り性能の上界を確立する。
• 符号増幅と分散増幅が、コードワード間の二乗ユークリッド距離および解像可能なチャネルパス数にどのように依存するかを分析する。
• 行列の条件数分析を用いて、誤り性能上界の安定性を評価し、チャネル変換行列が良好に条件付けられていることを示す。
• SNR近似技術を適用して、高信号対雑音比条件を仮定したPEP上界を簡略化する。
• 実際の高速度移動フェージングチャネル上で、さまざまな符号（例：コンvolutional, LDPC）を用いたシミュレーションを通じて理論的結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Doppler拡散や遅延拡散などのチャネルパラメータが、符号付きOTFSシステムの誤り性能にどのように影響するか？
• RQ2 高速度移動環境における符号付きOTFSの符号誤り確率（PEP）の理論的上界は何か？
• RQ3 符号増幅と分散増幅のトレードオフはどのように生じるのか？このトレードオフに影響を与える要因は何か？
• RQ4 OTFSはどの程度従来のOFDMを上回るのか？その背後にある性能向上メカニズムは何か？
• RQ5 さまざまなチャネル符号方式は、高ドップラー条件下でのOTFSシステムの誤り性能にどのように影響するか？

主な発見

• 符号付きOTFSシステムの性能上界は、条件付き符号誤り確率（PEP）に基づき導出され、符号設計の理論的基盤を提供する。
• 符号増幅と分散増幅の間には根本的なトレードオフが存在する：分散増幅は解像可能なパス数が増えるほど増加するが、符号増幅は減少する。
• OTFSは、DDドメイン変復調を介して時間周波数分散を完全に活用できるため、高速度移動環境においてOFDMを上回る優れた誤り性能を達成する。
• OTFSの誤り性能は、コードワードペア間の二乗ユークリッド距離およびチャネル内の独立な解像可能なパス数に直接依存する。
• シミュレーションにより、古典的および現代的符号（例：LDPC）がOTFSに適用された場合に顕著な性能向上が得られ、理論的解析の妥当性が裏付けられる。
• 提案されたPEP上界は、高SNR条件下で適切に妥当化されており、関数の緩やかな減衰のため近似誤差が小さい。