[논문 리뷰] A Simple Two-stage Equalizer With Simplified Orthogonal Time Frequency Space Modulation Over Rapidly Time-varying Channels

Li Li, Wei Hua외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 08.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 5인용 수 56

한 줄 요약

본 논문은 OTFS에 대한 등가 지연-도플러 채널 행렬을 도출하여 간단한 2단계 등화기(주파수 도메인 단일 탭과 지연-도플러 도메인 등화기)를 가능하게 하고, 고도플러 조건에서 OFDM 기반 접근법에 비해 BER를 개선한다.

ABSTRACT

In this work, we derive a equivalent delay-Doppler channel matrix of the Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) modulation that has not been studied in previous literature. It has the similar structure as the banded channel matrix of OFDM systems over rapidly time-varying channels. However, the band in the equivalent channel matrix will no longer spread with the increase of the Doppler spread once the length of maximum channel delay spread and the OTFS frame duration are deter- mined. Furthermore, the equivalent channel matrix can simplify the OTFS modulation in the transmitter side. Incorporating the equivalent channel matrix, we propose a simple two-stage equal- izer in 1 dimensional operations for OTFS modulation. First, the receive signal is equalized using the conventional OFDM single- tap equalizer in the frequency domain. The multipath effects can be removed. In the second stage, another low complexity delay- Doppler domain equalizer is employed to eliminate the effects of the residual interference caused by the Doppler spread with the equivalent channel matrix. The simulation results demonstrate that the proposed method is superior to the conventional single- tap equalizer and full minimum mean squared error (MMSE) equalizer of OFDM systems in terms of BER in high Doppler spread scenarios.

연구 동기 및 목표

• OTFS에 대해 지연 및 도플러 확산이 OTFS에 어떤 영향을 주는지 이해하기 위해 등가 지연-도플러 채널 행렬을 도출한다.
• 등가 채널을 활용해 다중경로 및 도플러 효과를 완화하는 저복잡도 2단계 등화를 제안한다.
• 제안된 방법이 고도플러 시나리오에서 OFDM 기반 기준보다 우수한 BER 성능을 달성함을 보인다.

제안 방법

• OTFS 송신기 동작을 벡터화하여 지연-도플러 도메인에서 등가 채널 행렬 H_eq를 얻는다.
• 2단계 등화를 제안한다: 1단계는 기존 OFDM 단일 탐색 주파수 도메인 등화기, 2단계는 잔류 간섭을 제거하기 위한 지연-도플러 도메인 등화기.
• 전송기 처리를 단순화하기 위해 재배열 행렬 Xi와 다중 FFT/IFFT 연산을 사용한다.
• 2단계는 H_eq의 자기상관에 기초한 간섭 제거 방식과 추정치를 다듬기 위한 클리핑/양자화 단계를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OTFS 등가 지연-도플러 채널 행렬의 구조는 어떠하가 지연 및 도플러 확산에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 저복잡도 2단계 등화기(FDE plus DDE)가 고도플러에서 단일 탭 OFDM 등화기 및 전체 MMSE OTFS보다 더 나은 BER를 달성할 수 있는가?
• RQ3 도출된 등가 채널 행렬을 활용하여 OTFS에서 송수신 처리의 복잡성을 어떻게 단순화할 수 있는가?
• RQ4 급변하는 채널에서 제안된 방법의 BER 성능은 OFDM 기반 방식과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 최대 지연 확산 및 프레임 지속 시간이 고정되면 도플러 확산에 따라 확장되지 않는 고정 대역을 가진 등가 OTFS 채널 행렬.
• 첫 번째 단계가 주파수 도메인 단일 탭 등화기이고 두 번째 단계가 잔류 도플러 유도 간섭을 제거하는 지연-도플러 도메인 등화자인 2단계 등화기.
• 제안된 FDE 및 FDE+DDE는 고도플러 시나리오에서 기존 OFDM 단일 탭 및 전체 MMSE 수신기보다 더 나은 BER를 달성하며, 복잡도는 OFDM 단일 탭과 비슷하다.
• 매우 높은 도플러에서 전체 OTFS MMSE가 제안된 방법보다 성능이 더 나을 수 있지만, 대역 행렬 역전 때문에 하드웨어 복잡도가 더 커진다.