[논문 리뷰] Iterative Detection for Orthogonal Time Frequency Space Modulation Using Approximate Message Passing with Unitary Transformation.

Zhengdao Yuan, Fei Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 15.

PAPR reduction in OFDM인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 오р토곤럴 타임 주파수 공간(OTFS) 변조를 위한 유니터리 변환 기반의 근사 메시지 전파(UTAMP) 검출기를 제안한다. 채널 행렬의 블록 순환 구조를 활용하여 OTFS 블록 길이에 대해 복잡도를 로그 순서로 감소시킨다. 이 방법은 잡음 분산 추정을 통합하여, 특히 큰 또는 분수형 도플러 이동이 있는 고속 이동 환경에서 최신 기술보다 뛰어난 성능을 달성한다.

ABSTRACT

The orthogonal time frequency space (OTFS) modulation has emerged as a promising modulation scheme for high mobility wireless communications. To harvest the time and frequency diversity promised by OTFS, some promising detectors, especially message passing based ones, have been developed by taking advantage of the sparsity of the channel in the delay-Doppler domain. However, when the number of channel paths is relatively large or fractional Doppler shift has to be considered, the complexity of existing detectors is a concern, and the message passing based detectors may suffer from performance loss due to the short loops involved in message passing. In this work, we investigate the design of OTFS detectors based on the approximate message passing (AMP) algorithm. In particular, AMP with unitary transformation (UTAMP) based detectors are developed, which enjoy the structure of the channel matrix and allow efficient implementation, e.g., by exploiting the property of block circulant matrix with circulant block (BCCB), the complexity of the UTAMP-based detector per symbol is in the order of the logarithm of OTFS block length. In addition, the estimation of noise variance is incorporated into the UTAMP-based detectors (while existing detectors assume perfect noise variance). Thanks to the robustness of UTAMP relative to AMP, the UTAMP-based detectors are able to deliver much better performance, and outperform state-of-the-art detectors significantly. The investigations are also extended to iterative joint detection and decoding in a coded OTFS system, where the OTFS detectors are integrated into a powerful turbo receiver, leading to a considerable performance gain.

연구 동기 및 목표

• 큰 또는 분수형 도플러 이동이 있는 OTFS 시스템에서 기존 메시지 전파 기반 검출기의 높은 계산 복잡도를 해결한다.
• 반복적 검출에서 짧은 루프로 인한 성능 저하 문제를 해결한다.
• OTFS 채널 행렬의 구조적 특성을 활용하여 저복잡도이자 강건한 검출 프레임워크를 개발한다.
• 완벽한 지식이 없이도 강건성을 향상시키기 위해 검출 과정에 잡음 분산 추정을 통합한다.
• 코드화된 OTFS 시스템에서 반복적 공동 검출 및 디코딩을 위한 확장성을 고려하여 검출기를 개선한다.

제안 방법

• 채널 행렬의 블록 순환 블록 구조(BCCB)를 활용하기 위해 약간의 메시지 전파(AMP) 알고리즘을 OTFS 검출에 적응시킨다.
• BCCB 성질을 이용해 효율적인 행렬-벡터 곱셈을 가능하게 하여, 심볼당 복잡도를 OTFS 블록 길이에 대해 로그 순서로 감소시킨다.
• UTAMP 프레임워크 내부에 잡음 분산 추정을 통합하여, 불완전한 잡음 지식에 대비한 강건성을 향상시킨다.
• UTAMP 기반 검출기를 터보 수신기 프레임워크에 통합하여 반복적 공동 검출 및 디코딩 아키텍처를 설계한다.
• 채널 행렬의 구조적 특성을 활용해 푸리에 변환(FFT) 기반 연산을 최소화하여 계산 오버헤드를 줄인다.
• 유니터리 변환을 사용해 채널 행렬을 조건화함으로써 수렴성과 안정성을 확보하고, AMP 알고리즘이 악조건에 대비한 강건성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 메시지 전파 기반 OTFS 검출기의 복잡도를 성능을 유지하거나 향상시키면서도 크게 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 잡음 분산 추정을 통합할 경우 실용적 환경에서 OTFS 검출의 강건성과 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 큰 또는 분수형 도플러 이동이 있는 고속 이동 환경에서 UTAMP 프레임워크가 기존 AMP 및 최신 기술보다 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 OTFS 채널 행렬의 구조적 특성(예: BCCB)을 효과적으로 활용하여 저복잡도 검출을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 UTAMP 기반 검출기를 반복적 공동 검출 및 디코딩(turbo) 수신기에 통합할 경우 어떤 성능 향상이 달성되는가?

주요 결과

• UTAMP 기반 검출기는 OTFS 블록 길이에 대해 심볼당 복잡도가 로그 순서로 스케일링되어 계산 부담을 크게 감소시킨다.
• 특히 큰 또는 분수형 도플러 이동이 있는 환경에서 최신 기술 대비 뛰어난 성능을 보여준다.
• 잡음 분산 추정을 통합함으로써 강건성이 향상되어, 잡음 전력이 불완전하게 알려져 있어도 신뢰할 수 있는 검출이 가능하다.
• 유니터리 변환의 사용은 AMP 알고리즘의 안정성과 수렴성을 향상시켜 짧은 루프로 인한 성능 손실를 완화한다.
• 반복적 공동 검출 및 디코딩에서 UTAMP 기반 터보 수신기는 기존 검출 기반 시스템에 비해 상당한 성능 향상을 달성한다.
• 이 방법은 높은 정확도와 낮은 지연을 유지하여 고속 이동 무선 통신 시스템에 적합하다.