[논문 리뷰] Channel Estimation for MIMO Space Time Coded OTFS under Doubly Selective Channels

Roberto Bomfin, Marwa Chafii외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 02.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 22인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 이중 선택적 fading 채널에서 MIMO 공간-시간 코드화된 OTFS 시스템을 위한 고유 단어 (UW) 기반 채널 추정 기법을 제안한다. 이 기법은 피LOT 전송을 위해 순환 지연 다중화 (CDD)를 활용하며, 각 송신 안테나별로 독립적인 추정을 가능하게 한다. 주요 기여는 고차원 변조 및 고코드율 조건에서 OTFS가 OFDM보다 프레임 오류율 (FER)에서 뚜렷한 성능 향상을 보이며, 4×4 MIMO 및 64-QAM 조건에서 10⁻³ FER일 때도 2 dB의 성능 향상이 있다는 것을 입증한 것이다.

ABSTRACT

In this paper, we present a unique word (UW)-based channel estimation approach for multiple-input multiple-output (MIMO) systems under doubly dispersive channels, which is applied to orthogonal time frequency space (OTFS) with space time coding (STC). The OTFS modulation has been recently proposed as a robust technique under time varying channels due to its property of spreading the data symbols over time and frequency. Yet another relevant aspect is the employment of multiple antennas at the transmitter and receiver. Therefore, we consider an STC MIMO system with cyclic delay diversity at the transmitter and maximum ratio combining at the receiver, where we develop a UW-based channel estimation scheme for multiple transmit antennas. We show a recently proposed frame optimization scheme for SISO is directly applicable to MIMO. In addition, we evaluate numerically the frame error rate (FER) of OTFS and OFDM with 2x2 and 4x4 MIMO, where the time varying channel is estimated using the UW-based approach. The FER results reveal that OTFS becomes more advantageous than OFDM for MIMO-STC systems with higher order modulation and code rate.

연구 동기 및 목표

• 이중 선택적 (시간에 따라 변하는) 채널 조건에서 MIMO-OTFS 시스템의 정확한 채널 추정 문제를 해결한다.
• 이전의 단일 입력 단일 출력 (SISO) 프레임 최적화 기법을 UW 기반 추정 기법으로 확장하여 MIMO 영역에 적용한다.
• 실제 시간에 따라 변하는 채널 조건에서 MIMO-STC 시스템에서 OTFS와 OFDM의 성능 향상을 평가한다.
• 고차원 변조 및 고코드율이 OTFS와 OFDM 간 성능 격차에 미치는 영향을 조사한다.

제안 방법

• 각 송신 안테나가 고유 단어 (UW)의 순환 이동된 복제본을 전송함으로써, 각 안테나별로 독립적인 채널 추정을 가능하게 하는 고유 단어 (UW) 피LOT 구조를 도입한다.
• 송신기에서 순환 지연 다중화 (CDD)를 활용하며, 이는 동시에 공간-시간 코드 (STC) 메커니즘으로서의 기능과 UW 기반 추정 프레임워크를 가능하게 한다.
• 이전의 SISO 연구에서 도입된 프레임 최적화 기법을 MIMO에 적용하여, 그 직접 적용 가능성을 입증하고 피LOT 오버헤드를 감소시킨다.
• OTFS에서 near-optimal 성능을 달성하기 위해 선형 최소 제곱 오차 (LMMSE)와 병렬 간섭 제거 (PIC)를 결합한 반복 수신기를 구현한다.
• 코드율 1/2 및 3/4인 재귀적 체계적 복합 코딩 (RSC) 코드를 사용하며, QPSK, 16-QAM, 64-QAM와 함께 비트 인터리빙 코딩 변조 (BICM)를 적용한다.
• 시간에 따라 변하는 채널 조건에서 UW 기반 추정을 사용하여 2×2 및 4×4 MIMO 구성에서 OTFS와 OFDM 간의 프레임 오류율 (FER) 비교를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SISO 기반의 UW 기반 채널 추정 및 프레임 최적화 기법은 MIMO-OTFS 시스템으로 효과적으로 확장될 수 있는가?
• RQ2 UW 기반 추정을 사용하는 이중 선택적 채널 조건에서 MIMO-STC 시스템에서 OTFS의 성능은 OFDM에 비해 어떻게 다를까?
• RQ3 스펙트럼 효율이 높아질수록 (즉, 고차원 변조 및 고코드율 조건에서) OTFS와 OFDM 간 성능 격차는 증가하는가?
• RQ4 고MIMO 구성 (예: 4×4)에서 고차원 변조 (예: 64-QAM) 및 고코드율을 사용할 경우, OTFS가 OFDM보다 잔여 성능 향상이 얼마나 되는가?
• RQ5 CDD 기반의 UW 전송 기법은 공간-시간 코드와 호환되며, 각 송신 안테나별로 독립적인 채널 추정을 가능하게 하는가?

주요 결과

• SISO 시스템에서 개발된 프레임 최적화 기법은 MIMO-OTFS 시스템에도 직접 적용 가능하며 효과적이며, 추정 정확도를 해치지 않으면서 피LOT 오버헤드를 감소시킨다.
• 3/4 코드율의 16-QAM을 사용하는 2×2 MIMO 조건에서, FER이 10⁻³일 때 OTFS는 OFDM 대비 5 dB 이상의 FER 성능 향상을 달성한다.
• 3/4 코드율의 64-QAM을 사용하는 4×4 MIMO 조건에서, FER이 10⁻³일 때 OTFS는 여전히 OFDM 대비 약 2 dB의 유의미한 성능 향상을 보인다.
• 스펙트럼 효율이 높아질수록 OTFS와 OFDM 간 성능 격차가 뚜렷이 증가하며, 특히 고차원 변조 및 고코드율 조건에서 두드러진다.
• 네 개의 수신 안테나가 존재하는 상황에서도 OTFS는 고속도 환경에서 OFDM 대비 측정 가능한 성능 우위를 유지하며, 다중성 증가에 따라 성능 향상이 감소한다는 통념을 뒤집는다.
• 제안된 UW 기반 채널 추정 기법과 CDD를 결합하면, $ N_{\text{UW}} / N_t \geq L $ 조건을 만족할 경우 각 송신 안테나별로 독립적인 추정이 가능하며, 여기서 $ N_{\text{UW}} $는 UW 길이, $ N_t $는 송신 안테나 수, $ L $은 채널 지연 스프레드이다.