[논문 리뷰] Low-Complexity Equalization for Orthogonal Time and Frequency Signaling (OTFS)

Thomas Zemen, Markus Hofer외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 26.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 18인용 수 37

한 줄 요약

이 논문은 반복적 최소평균제곱오차(MMSE) 결정화와 소프트심볼 피드백 기반 간섭 제거, 그리고 구형 디코더를 통한 근접 최대우도디코딩을 이용한 정규직교시간주파수신호(OTFS)를 위한 저복잡도 결정화 방식을 제안한다. 고속 이동성(200 km/h) 조건에서 비트 오류율 $10^{-4}$일 때 OFDM 대비 5 dB의 성능 향상을 보이며, 선택적 fading 채널에서 시간 및 주파수 다양성을 효과적으로 활용함을 입증한다.

ABSTRACT

Recently, a new precoding technique called orthogonal time-frequency signaling (OTFS) has been proposed for time- and frequency-selective communication channels. OTFS precodes a data frame with a complete set of spreading sequences and transmits the results via orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). OTFS uses two dimensional (2D) linear spreading sequences in time and frequency which are the basis functions of a symplectic Fourier transform. OTFS allows the utilization of time- and frequency-diversity but requires maximum likelihood decoding to achieve full diversity. In this paper we show performance results of a low-complexity equalizer using soft-symbol feedback for interference cancellation after an initial minimum-mean square error equalization step. Performance results for an implementation in the delay-Doppler domain and in the time-frequency domain are compared. With our equalizer, OTFS achieves a gain of 5dB compared to OFDM for a bit error rate of $10^{-4}$ and a velocity of $200\, ext{km/h}$.

연구 동기 및 목표

• 시간 및 주파수 선택성 fading 채널으로 인한 심볼 간 간섭(ISI) 문제를 해결하기 위해.
• 완전한 최대우도디코딩의 높은 계산 비용을 피하면서 OTFS에서 최대 다양성 이득을 실현하기 위해.
• OTFS에서 시간-주파수(TF) 도메인과 지연- doppler(DD) 도메인 간의 결정화 성능를 비교하기 위해.
• 반복적 검출과 소프트심볼 피드백이 실시간 시스템에 실용적이면서도 최대우도(ML) 성능에 근접할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 이중 단계 반복 검출 프로세스를 사용: 초기 단계에서 MMSE 결정화를 수행하고, 이후 소프트심볼 피드백 기반 순차적 간섭 제거(SIC)를 수행한다.
• 2회차 이후 반복에서 소프트출력 구형 디코더를 사용하여 복잡도를 감소시키면서도 최대우도 검출에 근접한 성능를 달성한다.
• 선형 변환 관계를 활용하여 시간-주파수(TF) 도메인과 지연-Doppler(DD) 도메인 양쪽에서 알고리즘을 구현하고 비교한다.
• 신호 모델은 모든 데이터 심볼을 전체 시간-주파수 격자에 걸쳐 퍼뜨리는 데 사용되는 2차원 이산 심플렉틱 푸리에 변환(DSFT)을 사용한다.
• 이전에 검출된 심볼의 영향을 소프트 정보를 이용해 추정하고 빼는 방식으로 반복적으로 간섭 제거를 수행한다.
• 수신단에서 완벽한 채널 상태 정보(CSI)를 가정하며, 이는 지연-Doppler 또는 시간-주파수 도메인의 파ilot 심볼을 통해 확보된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소프트심볼 피드백 기반 반복적 결정화가 복잡도를 크게 감소시키면서도 OTFS에서 근접 최대우도 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ2 고속 이동 조건에서 OTFS의 시간-주파수 도메인과 지연-Doppler 도메인 간 결정화 성능는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 고속도에서 시간 및 주파수 선택성 fading 채널에서 OTFS는 기존 OFDM 대비 어떤 정도의 다양성 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 반복적 검출 방식에서 근사 최적 성능를 달성하기 위해 몇 번의 반복이 필요한가?

주요 결과

• 제안된 결정화 방식은 200 km/h 속도에서 비트 오류율 $10^{-4}$일 때 OFDM 대비 5 dB의 성능 향상을 달성한다.
• 두 번째 반복에서 가장 큰 성능 향상이 발생하며, 0 km/h일 경우 첫 번째 반복 대비 2.5 dB 향상되고, 200 km/h에서도 유사한 향상이 관찰된다.
• 지연-Doppler 도메인에서의 결정화 성능는 시간-주파수 도메인과 거의 동일하며, 선형 변환 하에 두 도메인이 동치임을 확인한다.
• 세 번째 반복까지 수행하면 근사 최적 성능에 도달하며, 세 번째 반복 이후에는 추가적인 향상이 관찰되지 않는다.
• 이 방식은 시간(Doppler) 및 주파수 다양성을 효과적으로 활용하여 차량 통신 네트워크와 같은 고속 이동 환경에서도 신뢰성 있는 통신을 가능하게 한다.
• 소프트심볼 피드백과 소프트출력 구형 디코더의 사용은 브루트 포스 최대우도 디코딩 대비 복잡도를 크게 감소시키면서도 근사 ML 성능를 달성한다.