[논문 리뷰] Channel Estimation and Equalization for CP-OFDM-based OTFS in Fractional Doppler Channels

Noriyuki Hashimoto, Noboru Osawa외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 29.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 12인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 분수 도플러 채널에서 CP-OFDM 기반 OTFS에 대한 저복잡도 채널 추정 및 에큐얼라이제이션 방법을 제안한다. 피로드 응답의 지연-도플러 도메인에서의 상관관계를 활용하여 입력-출력 관계를 작은 근사치를 포함한 2차원 원형 컨볼루션으로 모델링한다. 이 방법은 PN-시퀀스 기반 추정보다 더 높은 추정 정확도와 더 낮은 계산 부하를 달성하며, 행렬 역행렬을 사용하는 MMSE와 유사한 에큐얼라이제이션 성능을 보인다.

ABSTRACT

Orthogonal time frequency and space (OTFS) modulation is a promising technology that satisfies high Doppler requirements for future mobile systems. OTFS modulation encodes information symbols and pilot symbols into the two-dimensional (2D) delay-Doppler (DD) domain. The received symbols suffer from inter-Doppler interference (IDI) in the fading channels with fractional Doppler shifts that are sampled at noninteger indices in the DD domain. IDI has been treated as an unavoidable effect because the fractional Doppler shifts cannot be obtained directly from the received pilot symbols. In this paper, we provide a solution to channel estimation for fractional Doppler channels. The proposed estimation provides new insight into the OTFS input-output relation in the DD domain as a 2D circular convolution with a small approximation. According to the input-output relation, we also provide a low-complexity channel equalization method using the estimated channel information. We demonstrate the error performance of the proposed channel estimation and equalization in several channels by simulations. The simulation results show that in high-mobility environments, the total system utilizing the proposed methods outperforms orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with ideal channel estimation and a conventional channel estimation method using a pseudo sequence.

연구 동기 및 목표

• 고속 이동 환경에서 발생하는 분수 도플러 이동으로 인한 상호 도플러 간섭(Inter-Doppler Interference, IDI)을 해결하기 위해.
• 분수 도플러를 가진 OTFS의 채널 추정에서 계산 복잡도를 낮추어 PN-시퀀스 기반 방법의 높은 부하를 피하기 위해.
• 지연-도플러 도메인에서의 새로운 입력-출력 모델 기반 저복잡도 에큐얼라이제이션 방법을 개발하기 위해.
• 드론이나 LEO 위성과 같은 고도플러 채널 환경에서 추정 정확도와 시스템 성능을 향상시키기 위해.
• 정수 색인 도플러 샘플링이 부족한 실세계 고속 이동 환경에서 OTFS에 대한 실용적인 해결책을 제공하기 위해.

제안 방법

• 지연-도플러(DD) 도메인에서의 피로드 응답을 이용한 교차상관 기반 채널 추정 알고리즘을 제안하여 분수 도플러 이동을 추정한다.
• 일반적인 채널 특성에서 유도된 작은 근사치를 포함한 2차원 원형 컨볼루션으로 OTFS의 입력-출력 관계를 지연-도플러 도메인에서 모델링한다.
• 추정된 채널 응답을 바탕으로 컨볼루션 입력-출력 모델 기반의 저복잡도 에큐얼라이제이션 방법을 설계한다.
• 계산에서 2차원 원형 컨볼루션의 구조를 효율적으로 처리하기 위해 벡터화 및 모듈로 연산을 적용한다.
• 성능와 계산 부하의 균형을 맞추기 위해 정지 조건이 있는 순차적 경로 추정 방법을 사용한다.
• 성능 및 복잡도 평가를 위해 제안된 방법을 PN-시퀀스 기반 추정 및 행렬 역행렬을 사용하는 MMSE 에큐얼라이저와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 피로드 기반 방법이 정수 도플러 색인을 포착하지 못하는 분수 도플러 채널에서 OTFS의 채널 추정을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 OTFS 입력-출력 관계를 2차원 원형 컨볼루션으로 근사함으로써 추정 및 에큐얼라이제이션 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 교차상관 기반 방법이 상당히 낮은 계산 복잡도로 PN-시퀀스 기반 추정보다 더 높은 추정 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 에큐얼라이제이션 방법은 행렬 역행렬을 사용하는 MMSE 에큐얼라이저와 성능 및 복잡도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 제안된 방법이 고속 이동 환경에서 상호 도플러 간섭(Inter-Doppler Interference, IDI)을 어느 정도 완화하는가?

주요 결과

• 제안된 채널 추정 방법은 PN-시퀀스 기반 방법보다 블록 오류율(BLER)이 현저히 낮고, 오류의 상한선도 낮아 더 높은 추정 정확도를 나타낸다.
• 제안된 채널 추정의 계산 부하는 PN-시퀀스 기반 방법보다 상당히 낮으며, ˆP 추정 경로에 대해 O(ˆPNCPνmax/ΔfDN2(M+NCP))의 스케일링을 따른다.
• 제안된 에큐얼라이제이션 방법은 행렬 역행렬을 사용하는 MMSE 에큐얼라이저와 매우 유사한 BLER 성능을 달성하며, 2차원 컨볼루션 근사로 인해 작은 성능 격차가 존재한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법을 적용한 OTFS가 고도플러 환경(500 km/h)에서 이상적인 채널 상태 정보를 가진 OFDM보다 뛰어난 성능을 보이며 도플러 이동에 대해 강건함을 보였다.
• 저해상도의 분수 도플러 추정(D=10)에서도 제안된 방법이 높은 성능를 유지함으로써 해상도 제약 조건에 강건함을 입증하였다.
• 작은 근사치를 포함한 2차원 원형 컨볼루션으로 모델링된 입력-출력 관계는 근사 최적 성능를 유지하면서 효과적인 저복잡도 에큐얼라이제이션을 가능하게 한다.