[논문 리뷰] Comparison of OTFS and OFDM for RIS-aided Systems in the Presence of Phase Noise

Stephen McWade, Arman Farhang|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 13.

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한 줄 요약

본 논문은 발진기 위상 노이즈 하에서 RIS-도움 OTFS와 RIS-도움 OFDM을 분석하고, 위너 필터 기반의 RIS 채널 및 위상 노이즈 공동 추정 방법을 제안하며, 위상 노이즈가 있는 환경에서 OTFS가 OFDM에 비해 상당한 BER 이점을 얻을 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the performance of RIS-aided orthogonal time frequency space (OTFS) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems in the presence of oscillator phase noise. OFDM is known to be sensitive to phase noise, which could limit the potential gains promised by RIS systems. OTFS, on the other hand, is a compelling potential waveform for RIS-aided systems in the presence of phase noise due to it's resilience to time-varying channels. However, the effect of phase noise on OTFS has not been fully analyzed in the literature as of yet. Additionally, no existing works in the literature consider the effect of phase noise on an RIS-aided OTFS system. Hence, we propose a joint RIS channel and phase noise estimation technique using a Wiener filtering approach. Our proposed method exploits the statistical nature of both the phase noise and the Doppler spread channel in a setup with RIS. Our numerical analysis demonstrates the significant gain of RIS-aided OTFS offers compared to RIS-aided OFDM in the presence in the presence of phase noise. Additionally, our results demonstrate the superiority of our proposed estimation technique, with gains of up to 3~dB in terms of bit error rate (BER), over existing methods in the literature.

연구 동기 및 목표

• 발진기 위상 노이즈와 시간 가변 채널에 대처하기 위해 RIS-도움 통신에 모티베이션을 부여한다.
• 위상 노이즈 하에서 RIS-도움 시스템에서 OTFS와 OFDM의 성능을 평가한다.
• RIS 채널과 위상 노이즈를 공동으로 추정하는 기법을 개발한다.
• OTFS가 OFDM에 비해 및 기존 추정기 대비 BER/NMSE 향상을 정량화한다.

제안 방법

• 수신기 위상 노이즈가 존재하는 RIS-도움 OTFS 및 OFDM을 모델링한다.
• 위상 노이즈를 포함한 RIS 채널의 지연-시간 및 지연-도플러 표현을 도출한다.
• 지연-시간 파일럿을 이용한 2단계 Wiener 필터 기반 채널 추정기를 제안한다.
• 유효 채널의 교차상관 및 자기상관으로 Wiener 필터 가중치를 계산한다.
• 다양한 위상 노이즈 및 도플러 조건에서 NMSE 및 BER를 통해 OTFS와 OFDM의 성능을 비교한다.

(a) OTFS signal.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위상 노이즈가 RIS-도움 OTFS와 RIS-도움 OFDM의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 RIS 채널과 위상 노이즈를 공동으로 추정하는 접근법이 위상 노이즈 하에서 채널 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 위상 노이즈가 있는 RIS 맥락에서 OTFS가 OFDM에 비해 측정 가능한 BER/NMSE 이점을 제공하는가?
• RQ4 RIS-도움 OTFS/OFDM에서 제안된 추정기가 BEM 및 스플라인 기반 방법과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 위상 노이즈 하의 RIS-도움 시스템에서 OTFS가 OFDM을 지속적으로 능가하며, 일부 시나리오에서 BER 이점은 최대 두 자릿수에 이른다.
• 제안된 Wiener-filter 기반 추정기는 특정 BER 목표에서 기존 방법에 비해 최대 3 dB BER 이득을 제공한다.
• 고위의 위상 노이즈 수준에서 BEM 기반 접근 방법은 성능이 저하되는 반면, 제안된 방법은 더 로버스트하다.
• 코딩된 (16-QAM, 1/2 속도) 시나리오에서 추정기를 사용한 RIS-OTFS는 RIS-OFDM에 비해 약 한 차의 BER 향상을 보인다.
• RIS-OTFS는 RIS 요소 수가 달라져도 여전히 상당한 성능 우위를 유지하지만, 이상적인 경우에 비해 위상 노이즈로 인한 저하가 있다.

(b) OFDM signal.