[논문 리뷰] A New Path Division Multiple Access for the Massive MIMO-OTFS Networks

Muye Li, Shun Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 18.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 36인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고속 이동 환경에서 대량 MIMO-OTFS 시스템을 위한 새로운 경로 분할 다중접속(PDMA) 방식을 제안한다. 이 방식은 3차원 각도-지연-Doppler 도메인 자원 할당을 활용한다. 3차원 뉴턴화된 직교 매칭 퇴적(3D-NOMP) 알고리즘을 사용해 채널 파rameter를 추출하고, 간섭을 방지하기 위해 경로 스케줄링 알고리즘을 도입함으로써, 저복잡도 빔포밍을 통해 간섭 없는 업링크 및 다운링크 통신을 가능하게 한다. 시뮬레이션 결과는 고속 이동성과 신호 대 잡음비(SNR) 변화 상황에서도 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.

ABSTRACT

This paper focuses on a new path division multiple access (PDMA) for both uplink (UL) and downlink (DL) massive multiple-input multiple-output network over a high mobility scenario, where the orthogonal time frequency space (OTFS) is adopted. First, the 3D UL channel model and the received signal model in the angle-delay-Doppler domain are studied. Secondly, the 3D-Newtonized orthogonal matching pursuit algorithm is utilized for the extraction of the UL channel parameters, including channel gains, directions of arrival, delays, and Doppler frequencies, over the antenna-time-frequency domain. Thirdly, we carefully analyze energy dispersion and power leakage of the 3D angle-delay-Doppler channels. Then, along UL, we design a path scheduling algorithm to properly assign angle-domain resources at user sides and to assure that the observation regions for different users do not overlap over the 3D cubic area, i.e., angle-delay-Doppler domain. After scheduling, different users can map their respective data to the scheduled delay-Doppler domain grids, and simultaneously send the data to base station (BS) without inter-user interference in the same OTFS block. Correspondingly, the signals at desired grids within the 3D resource space of BS are separately collected to implement the 3D channel estimation and maximal ratio combining-based data detection over the angle-delay-Doppler domain. Then, we construct a low complexity beamforming scheme over the angle-delay-Domain domain to achieve inter-user interference free DL communication. Simulation results are provided to demonstrate the validity of our proposed unified UL/DL PDMA scheme.

연구 동기 및 목표

• 고속 이동 환경에서의 정확한 채널 추정 및 간섭 관리 문제를 해결하기 위해.
• 업링크 및 다운링크 전송에 대한 3차원 각도-지연-Doppler 채널 응답을 모델링하고 특성화하기 위해.
• 3차원 지연-Doppler 도메인에서 사용자 간에 겹치지 않는 각도 도메인 자원을 할당하는 경로 스케줄링 알고리즘을 설계하기 위해.
• 3차원 채널 도메인의 희박성 특성을 활용하여 간섭 없는 업링크 및 다운링크 통신을 실현하기 위해.
• 3차원 채널 추정 기반의 저복잡도 빔포밍 방식을 개발하기 위해.

제안 방법

• 3차원 뉴턴화된 직교 매칭 퇴적(3D-NOMP) 알고리즘을 사용해 각도, 지연, Doppler 주파수 등을 포함한 채널 파rameter를 각도-지연-Doppler 도메인에서 추출한다.
• 업링크 전송 중 사용자 간 간섭을 방지하기 위해, 3차원 입체 자원 공간(각도, 지연, Doppler)에서 겹치지 않는 관측 영역을 할당하는 경로 스케줄링 알고리즘을 제안한다.
• 사용자들은 OTFS 블록 내에서 스케줄된 지연-Doppler 격자에 데이터를 매핑함으로써, 동시에 간섭 없이 전송할 수 있다.
• 기지국에서는 원하는 3차원 격자에서 신호를 별도로 수거하여 3차원 채널 추정 및 최대 비율 병합(MRC) 기반의 데이터 검출을 수행한다.
• 다운링크 전송에서 사용자 간 간섭을 억제하기 위해, 각도-지연-Doppler 도메인에서 저복잡도 빔포밍 방식을 구성한다.
• 3차원 채널에서의 에너지 분산 및 전력 누설에 대한 이론적 분석을 수행하여 자원 할당 및 시스템 설계를 안내한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고속 이동 환경에서 대량 MIMO-OTFS 시스템의 3차원 채널 파rameter(각도, 지연, Doppler)를 효율적으로 추출할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 에너지 분산 및 전력 누설이 각도-지연-Doppler 도메인의 3차원 채널 추정 및 자원 할당에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 3차원 자원 공간에서 사용자 간 겹치지 않는 관측 영역을 확보하기 위해 경로 스케줄링을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ4 OTFS 기반 대량 MIMO 시스템에서 3차원 자원 할당을 활용해 간섭 없는 업링크 및 다운링크 통신을 달성할 수 있는가?
• RQ5 고속 이동성과 다양한 신호 대 잡음비(SNR) 조건 하에서 제안된 PDMA 방식의 성능 향상은 어떠한가?

주요 결과

• 3D-NOMP 알고리즘이 각도-지연-Doppler 도메인에서 높은 정확도로 채널 파rameter를 추출하여 정밀한 3차원 채널 추정을 가능하게 한다.
• 경로 스케줄링 알고리즘이 3차원 입체 자원 공간에서 사용자 간 겹치지 않는 관측 영역을 보장하여, 동일한 OTFS 블록 내에서 사용자 간 간섭을 완전히 제거한다.
• 시뮬레이션 결과, 희박하게 스케줄된 데이터 블록이 밀집된 블록보다 업링크 데이터 검출에서 더 낮은 MSE를 달성함을 확인하였으며, 이는 전력 누설 감소로 인한 결과이다.
• 다운링크에서는 고신호 대 잡음비(SNR)에서 MSE가 수렴하지만, 채널 추정이 잘못된 경우 MSE가 현저히 높아지므로 정확한 3차원 채널 확보의 중요성을 강조한다.
• 제안된 저복잡도 빔포밍 방식은 3차원 채널의 희박성과 공간 Multiplexing 특성을 활용하여 간섭 없는 다운링크 통신을 실현한다.
• 통합된 PDMA 방식은 다양한 사용자 속도 및 SNR 수준에서 뛰어난 성능을 보이며, 고속 이동 환경에서의 효과성을 입증한다.