[논문 리뷰] MIMO-OTFS in High-Doppler Fading Channels: Signal Detection and Channel Estimation

M. Kollengode Ramachandran, A. Chockalingam|ePrints@IISc (Indian Institute of Science)|2018. 05. 06.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 16인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 고도프러러 복소도 채널에서 고도프러러 펄스를 사용한 MIMO-OTFS 신호 검출을 위한 저복잡도 메시지 전달 알고리즘과 지연-도플러 도메인 채널 추정 기법을 제안한다. 실험 결과, 2×2 시스템에서 1880 Hz 도플러 조건 하에 MIMO-OTFS는 14 dB SNR에서 BER 10⁻⁵를 달성하며, 동일 조건에서 MIMO-OFDM는 BER 0.02에 도달하여 성능이 정체됨을 입증한다.

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is a recently introduced multiplexing technique designed in the 2-dimensional (2D) delay-Doppler domain suited for high-Doppler fading channels. OTFS converts a doubly-dispersive channel into an almost non-fading channel in the delay-Doppler domain through a series of 2D transformations. In this paper, we focus on MIMO-OTFS which brings in the high spectral and energy efficiency benefits of MIMO and the robustness of OTFS in high-Doppler fading channels. The OTFS channel-symbol coupling and the sparse delay-Doppler channel impulse response enable efficient MIMO channel estimation in high Doppler environments. We present an iterative algorithm for signal detection based on message passing and a channel estimation scheme in the delay-Doppler domain suited for MIMO-OTFS. The proposed channel estimation scheme uses impulses in the delay-Doppler domain as pilots for estimation. We also compare the performance of MIMO-OTFS with that of MIMO-OFDM under high Doppler scenarios.

연구 동기 및 목표

• 500 km/h를 초과하는 고속 이동 환경에서 발생하는 부호 간 간섭(ICI)과 symbol 간 간섭(ISI) 문제를 해결한다.
• OTFS 변조의 2차원 지연-도플러 도메인 다중화 특성을 활용하여 고도프러러 환경에서 전통적인 MIMO-OFDM의 성능 붕괴 문제를 해결한다.
• 빠른 채널 변화 조건에서도 성능을 유지하는 효율적이고 저복잡도의 MIMO-OTFS 신호 검출 알고리즘을 개발한다.
• 희소한 피로트 펄스를 사용한 새로운 지연-도플러 도메인 채널 추정 기법을 제안하여 MIMO 채널 응답을 동시에 정확하게 추정한다.
• 비교적 BER 분석을 통해 MIMO-OTFS가 고도프러러 환경에서 MIMO-OFDM보다 뚜렷한 성능 우월성을 보임을 입증한다.

제안 방법

• 채널-기호 결합을 수학적으로 다룰 수 있도록 지연-도플러 도메인에서 벡터화된 입력-출력 모델을 수립한다.
• OTFS 채널의 2차원 주기적 컨볼루션 구조를 활용하여 복잡도를 감소시키는 반복적 메시지 전달 알고리즘을 구현한다.
• 지연-도플러 도메인에서의 이산 펄스를 피로트로 사용하여 희소하고 겹치지 않는 피로트 전송이 가능한 채널 추정 기법을 설계한다.
• 관측 간격 동안 시간 불변성을 가지는 지연-도플러 채널 특성을 활용하여 등가 MIMO-OTFS 채널 행렬을 추정한다.
• 2차원 컨볼루션 성질을 적용하여 수신기에서 피로트 신호가 분리 가능하게 하여 모든 송수신 안테나 쌍의 동시에 추정이 가능하도록 한다.
• 메시지 전달 검출 알고리즘에 추정된 채널 행렬을 적용하여 실질적인 추정 조건 하에서 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MIMO-OFDM가 심한 ICI로 인해 실패하는 고도프러러 환경에서도 MIMO-OTFS가 신뢰할 만한 통신을 구현할 수 있는가?
• RQ2 특히 1880 Hz(500 km/h)에서 도플러 스프레드가 증가함에 따라 MIMO-OTFS의 메시지 전달 검출 성능은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 피로트 펄스를 사용한 지연-도플러 도메인 채널 추정 기법이 고속 이동 환경에서 거의 완벽한 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 완벽한 채널 지식과 제안된 피로트 기반 방법을 사용한 채널 지식 간 성능 격차는 얼마인가?
• RQ5 지연-도플러 채널 응답의 희소성과 시간 불변성은 시간-주파수 도메인 추정보다 더 단순하고 정확한 추정을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 메시지 전달 검출 알고리즘은 2×2 MIMO-OTFS 시스템에서 도플러 주파수 1880 Hz 조건 하에 14 dB SNR에서 BER 10⁻⁵를 달성한다.
• 동일한 고도프러러 조건에서 MIMO-OFDM 성능은 BER 0.02에 도달하여 정체되며, MIMO-OTFS의 성능 우월성이 뚜렷하게 드러난다.
• 제안된 지연-도플러 도메인 채널 추정 기법은 13 dB SNR에서 BER 2×10⁻⁵를 달성하였으며, 완벽한 채널 지식이 필요한 12.5 dB 대비 뿐만 아니라 0.5 dB 뿐만 아니라 높은 정확도를 확보하였다.
• 채널 추정 오차의 프로베니우스 노름은 피로트 SNR 증가에 따라 감소하여 추정 기법의 신뢰성을 확인한다.
• 지연-도플러 도메인에서 충분한 간격으로 전송된 피로트 신호는 수신기에서 겹치지 않으며, 모든 MIMO 채널 상태를 동시에 정확하게 추정할 수 있다.
• 관측 간격 동안 지연-도플러 채널이 시간 불변성을 가지므로, 시간-주파수 도메인 추정이 빠른 채널 변화로 인해 어려운 것과는 달리 효율적이고 정확한 추정이 가능하다.