[논문 리뷰] Low Complexity Channel Estimation for OTFS Modulation with Fractional Delay and Doppler

Imran Ali Khan, Saif Khan Mohammed|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 10.

PAPR reduction in OFDM인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 분수 지연과 도플러 스프레드가 있는 OTFS 시스템을 위한 두 가지 저복잡도 채널 추정 방법—수정 최대우도 추정(M-MLE)과 이단계 추정(TSE)—을 제안한다. 세밀한 지연-도플러 해상도를 활용하여, 복합 채널 매개변수의 동시 추정을 각 경로별로 별도의 일차원 추정으로 분리함으로써, OMP 및 SBL보다도 더 높은 정확도를 달성하면서도 낮은 복잡도를 구현한다. 특히 단일 안테나 고속 이동 환경에서 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

We consider the problem of accurate channel estimation for OTFS based systems with few transmit/receive antennas, where additional sparsity due to large number of antennas is not a possibility. For such systems the sparsity of the effective delay-Doppler (DD) domain channel is adversely affected in the presence of channel path delay and Doppler shifts which are non-integer multiples of the delay and Doppler domain resolution. The sparsity is also adversely affected when practical transmit and receive pulses are used. In this paper we propose a Modified Maximum Likelihood Channel Estimation (M-MLE) method for OTFS based systems which exploits the fine delay and Doppler domain resolution of the OTFS modulated signal to decouple the joint estimation of the channel parameters (i.e., channel gain, delay and Doppler shift) of all channel paths into separate estimation of the channel parameters for each path. We further observe that with fine delay and Doppler domain resolution, the received DD domain signal along a particular channel path can be written as a product of a delay domain term and a Doppler domain term where the delay domain term is primarily dependent on the delay of this path and the Doppler domain term is primarily dependent on the Doppler shift of this path. This allows us to propose another method termed as the two-step method (TSE), where the joint two-dimensional estimation of the delay and Doppler shift of a particular path in the M-MLE method is further decoupled into two separate one-dimensional estimation for the delay and for the Doppler shift of that path. Simulations reveal that the proposed methods (M-MLE and TSE) achieve better channel estimation accuracy at lower complexity when compared to other known methods for accurate OTFS channel estimation.

연구 동기 및 목표

• 추가적인 희소성 확보가 어려운 단일 안테나 구성에서 OTFS 시스템의 정확한 채널 추정 문제를 해결한다.
• 비정수 지연 및 도플러 이동으로 인한 채널 희소성 저하 문제를 해결한다.
• 분수 지연 및 도플러 스프레드 조건에서도 높은 정확도를 유지하면서 저복잡도 추정 방법을 개발한다.
• 채널 매개변수(이득, 지연, 도플러)의 동시 추정을 각 경로별로 별도로 다룰 수 있는 추정으로 분리한다.
• 기존 방법들인 OMP 및 SBL과 비교해 계산 복잡도를 낮추면서도 완벽한 CSI에 가까운 성능을 달성한다.

제안 방법

• 채널 매개변수의 동시 추정을 각 경로별로 별도의 최대우도 추정(MLE)으로 분리하는 수정 최대우도 추정(M-MLE) 방법을 제안한다.
• OTFS의 세밀한 지연-도플러 해상도를 활용하여, 수신 신호를 각 경로별로 지연 도메인 및 도플러 도메인 항목의 곱으로 모델링한다.
• 이중 추정(TSE) 방법을 도입하여, 지연과 도플러의 이중 동시 추정을 두 개의 별도 일차원 추정으로 추가로 분리한다.
• 신호 스트림 벡터의 渐近적 직교성을 활용하여 분리 전략을 정당화하며, 경로 간 간섭을 최소화한다.
• 행렬 역행렬 계산을 피함으로써 분리 추정에 기반해, 공동 MLE나 희소 복구 기반 방법보다 계산 복잡도를 감소시킨다.
• 지연-도플러 도메인의 신호 모델을 사용하여 추정 문제를 수식화하며, 채널 응답을 지연 및 도플러에서 가중된 복소 지수함수의 합으로 표현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분수 지연 및 도플러 스프레드 조건에서 OTFS의 채널 매개변수 동시 추정이 지연과 도플러에 대해 별도의 일차원 추정으로 효과적으로 분리될 수 있는가?
• RQ2 비정수 지연 및 도플러 이동으로 인해 희소성이 떨어지는 상황에서 OTFS의 세밀한 지연-도플러 해상도가 어떻게 추정 정확도를 향상시키는가?
• RQ3 단일 안테나 OTFS 시스템에서 OMP 및 SBL과 비교해 제안된 M-MLE 및 TSE 방법의 성능-복잡도 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ4 신호 벡터의 渐상적 직교성이 제안된 방법의 분리 전략을 얼마나 잘 뒷받침하는가?
• RQ5 제안된 방법의 SER 성능은 완벽한 채널 상태 정보(CSI)를 가질 때의 성능과 얼마나 가까운가?

주요 결과

• 지연 및 도플러 도메인 해상도가 충분히 높을 경우, 제안된 M-MLE 및 TSE 방법이 OMP 및 SBL보다 더 높은 채널 추정 정확도를 달성한다.
• TSE는 지연과 도플러 추정을 두 개의 별도 일차원 단계로 분리함으로써 M-MLE보다 더 낮은 복잡도를 구현한다.
• 제안된 방법의 SER 성능은 완벽한 CSI를 가질 때와 매우 유사하여 높은 추정 정밀도를 보여준다.
• 행렬 역행렬 계산을 피함으로써, 공동 MLE나 희소 복구 기반 접근법보다 계산 복잡도가 크게 감소한다.
• 신호 벡터의 渐상적 직교성이 분리 전략을 지지하며, 도플러 차이가 NT의 역수를 초과할 경우 특히 낮은 경로 간 간섭을 보장한다.
• 시뮬레이션 결과, 채널 경로의 지연 및 도플러 이동이 비정수일 경우에도 희소성이 저하되더라도 방법들이 높은 정확도를 유지함을 확인하였다.