[論文レビュー] Receiver Design for OTFS with Fractionally Spaced Sampling Approach

Yao Ge, Qinwen Deng+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

PAPR reduction in OFDM参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、理想的な双正交パルスやグリッド上でのドップラー遅延シフトといった不切実な仮定を避けるために、実用的な長方形パルスを用いた直交時間周波数空間（OTFS）システムの分数間隔サンプリング（FSS）受信機を提案する。遅延-ドップラー領域における一般化された入出力関係を導出し、反復結合メッセージパス（ICMP）およびトゥーブロメッセージパス（TMP）アルゴリズムを採用することで、FSS受信機は優れた性能と、特に時間変動チャネルにおける高移動度環境下でも良好な不完全なチャネル状態情報へのロバスト性を達成する。

ABSTRACT

The recent emergence of orthogonal time frequency space (OTFS) modulation as a novel PHY-layer mechanism is more suitable in high-mobility wireless communication scenarios than traditional orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). Although multiple studies have analyzed OTFS performance using theoretical and ideal baseband pulseshapes, a challenging and open problem is the development of effective receivers for practical OTFS systems that must rely on non-ideal pulseshapes for transmission. This work focuses on the design of practical receivers for OTFS. We consider a fractionally spaced sampling (FSS) receiver in which the sampling rate is an integer multiple of the symbol rate. For rectangular pulses used in OTFS transmission, we derive a general channel input-output relationship of OTFS in delay-Doppler domain without the common reliance on impractical assumptions such as ideal bi-orthogonal pulses and on-the-grid delay/Doppler shifts. We propose two equalization algorithms: iterative combining message passing (ICMP) and turbo message passing (TMP) for symbol detection by exploiting delay-Doppler channel sparsity and the frequency diversity gain via FSS. We analyze the convergence performance of TMP receiver and propose simplified message passing (MP) receivers to further reduce complexity. Our FSS receivers demonstrate stronger performance than traditional receivers and robustness to the imperfect channel state information knowledge.

研究の動機と目的

• 非理想的で実現可能なパルス形状（例：長方形パルス）に依存するOTFSの実用的受信機設計の欠如に対処すること。
• 理想の双正交パルスやグリッド上での遅延/ドップラーシフトを仮定する既存のOTFS受信機の限界を克服すること。これは、ハイゼンベルクの不確定性原理により現実的でないため。
• 整数倍のシンボルレートである分数間隔サンプリング（FSS）を用いて、遅延-ドップラー領域におけるチャネルの多様性とスパarsityを完全に活用する受信機アーキテクチャを開発すること。
• 不完全なチャネル状態情報にロバストで、実世界のOTFS展開に適した低複雑度・高性能なイコライジングアルゴリズム（ICMPおよびTMP）を設計すること。

提案手法

• 長方形パルスと1フレームあたり1つのサイクリックプレフィックスを用いて、遅延-ドップラー領域におけるOTFSの一般化された入出力関係を導出。理想パルスやグリッド上でのドップラー遅延シフトを仮定しない。
• シンボルレートの整数倍のレートで分数間隔サンプリング（FSS）を適用し、十分統計量を保持するとともに、チャネルの多様性ゲインを活用する。
• 2つのメッセージパスベースのイコライジングアルゴリズム（反復結合メッセージパス（ICMP）およびトゥーブロメッセージパス（TMP））を考案。チャネルのスパarsityと時間変動チャネル構造を活用する。
• 計算複雑度を低減しながら性能を維持するため、簡略化されたメッセージパス（MP）変種を提案。
• クロスアンビグイティ関数とサンプリングされたチャネルインパルス応答を用いて、遅延-ドップラー領域における有効チャネル行列をモデル化。
• 遅延-ドップラー領域における有効チャネル係数の閉形式表現を導出し、メッセージパスによる効率的なシンボル検出を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理想的な双正交パルス仮定に依存せず、実現可能な長方形パルスを用いた実用的OTFS受信機はどのように設計できるか？
• RQ2 1フレームあたり1つのサイクリックプレフィックスを用いる長方形パルスを用いたOTFSの遅延-ドップラー領域における入出力関係は何か？
• RQ3 分数間隔サンプリング（FSS）は、時間変動チャネルを持つ高移動度OTFSシステムにおいて、多様性ゲインと性能を向上させ得るか？
• RQ4 ICMPおよびTMPイコライジングアルゴリズムは、不完全なチャネル状態情報下で収束性とロバスト性の観点からどのように性能を示すか？
• RQ5 非グリッドアライメントの遅延およびドップラーシフトがOTFSシステム性能に与える影響は何か。また、それらは効果的にどのように緩和できるか？

主な発見

• 提案されたFSS受信機は、サンプリングレートの増加によりチャネルの多様性を活用することで、従来のシンボル間隔サンプリング受信機よりも優れた性能を達成する。
• 遅延-ドップラー領域における導出された入出力関係は一般性を持ち、理想パルス形状やグリッド上での遅延/ドップラーシフトを要件としない。
• トゥーブロメッセージパス（TMP）受信機は良好な収束性能と不完全なチャネル状態情報へのロバスト性を示し、実用的展開に適している。
• 簡略化されたメッセージパス（MP）変種が提案され、複雑度を低減しながらも高い検出精度を維持している。
• FSSベースのOTFS受信機は、二重分散チャネルにおけるシンボル間干渉（ISI）および子搬送波干渉（ICI）を効果的に低減する。
• OTFSフレームごとに1つのサイクリックプレフィックスを用いることでスペクトル効率を維持しつつ、高度なイコライジングにより効果的な干渉キャンセリングを実現する。