[논문 리뷰] Multiple Access in the Delay-Doppler Domain using OTFS modulation

G. D. Surabhi, Rose Mary Augustine외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 09.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 16인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 고속 이동 환경에서의 업링크 시나리오에서 지연-도플러 리소스 블록(DDRB)을 사용자에게 할당하는 OTFS 기반 다중접속(OTFS-MA)을 제안한다. 지연, 도플러 또는 지연-도플러 격자 내 공간 서브셋을 통해 사용자를 멀티플렉싱함으로써, OTFS-MA는 특히 메시지 전달 검출 및 피LOT 기반 채널 추정을 통해 완벽한 채널 지식에 가까운 상황에서 OFDMA 및 SC-FDMA보다 열등한 비트 오류율(BER) 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is a recent modulation scheme designed in the delay-Doppler domain. It has been shown to achieve superior performance compared to conventional multicarrier modulation schemes designed in the time-frequency domain. In this paper, we consider OTFS based multiple access (OTFS-MA), where delay-Doppler bins serve as the resource blocks for multiple access. Different delay-Doppler resource blocks (DDRBs) in the delay-Doppler grid are allocated to different users for multiple access. We consider three different DDRB allocation schemes. While Scheme 1 multiplexes the users along the delay axis, Scheme 2 multiplexes them along the Doppler axis. In both these schemes, each user's signal spans the entire time-frequency plane. Scheme 3 allocates the DDRBs in such a way that each user's signal is limited to span only over a subset of the time-frequency plane. We study the performance of OTFS-MA in high mobility environments on the uplink and compare it with those of OFDMA and SC-FDMA. Our results show that OTFS-MA (with maximum-likelihood detection in small dimension systems and with a message passing based detection in large dimension systems) achieves better performance compared to OFDMA and SC-FDMA. We also present the performance of a multiuser channel estimation scheme using pilot symbols placed in the delay-Doppler grid.

연구 동기 및 목표

• 오р토곤럴 타임 프리퀀시 스페이스(OTFS) 변조 방식을 사용하여 고속 이동 무선 채널에서 효율적인 다중 사용자 액세스를 가능하게 하기 위해.
• 이중으로 분산된 채널에서 고도의 도플러 스프레드를 가지는 전통적인 OFDMA 및 SC-FDMA의 한계를 해결하기 위해.
• OTFS-MA를 위한 세 가지 DDRB 할당 방식(지연 다중화, 도플러 다중화, 공간 제한된)을 설계하고 평가하기 위해.
• 업링크 OTFS-MA의 지연-도플러 도메인에서 피LOT 기반 채널 추정 방식을 개발하고 검증하기 위해.
• 현실적인 고속 이동 조건 하에서 OTFS-MA의 BER 성능을 OFDMA 및 SC-FDMA와 비교하기 위해.

제안 방법

• OTFS-MA는 DDRB를 사용자 멀티플렉싱을 위한 정규 직교 리소스 블록으로 사용하는 2차원 리소스 격자로 지연-도플러 도메인을 활용한다.
• 세 가지 DDRB 할당 방식이 제안된다: 첫 번째 방식(지연 방향 다중화), 두 번째 방식(도플러 방향 다중화), 세 번째 방식(시간-주파수 평면의 공간 제한된 서브셋).
• 소규모 시스템에서는 최대우도(ML) 검출이 사용되며, 대규모 시스템에서는 복잡도를 줄이기 위해 메시지 전달(MP) 검출이 적용된다.
• 피LOT 기반 신호는 지연-도플러 격자 내에서 델타 임펄스로 배치되며, 채널 스프레드로 인한 간섭을 방지하기 위해 가드 존이 설정된다. 이는 2차원 컨볼루션을 통해 채널 인파르스 응답과 모델링된다.
• 채널 추정은 수신된 피LOT 신호를 기반으로 수행되며, 추정된 채널은 분수 도플러 효과를 고려하여 진짜 채널 응답의 순환 이동된 형태로 주어진다.
• 성능 평가는 지수적 전력 지연 프로파일과 Jakes 도플러 스펙트럼을 가진 레이일리 fading 채널에서 BER을 기반으로 평가되며, 추정 정확도 평가를 위해 피LOT SNR를 다양하게 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OTFS-MA는 OFDMA 및 SC-FDMA와 비교해 고속 이동 업링크 시나리오에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ2 지연, 도플러 또는 공간 제한된 서브셋으로 할당된 다양한 DDRB 할당 방식이 OTFS-MA의 BER 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 지연-도플러 도메인에서 피LOT 기반 채널 추정은 OTFS-MA에서 완벽한 채널 지식에 근접한 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 대규모 OTFS-MA 시스템에서 메시지 전달 검출은 최대우도 검출에 비해 BER 성능과 복잡도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 채널 추정 오차가 BER 성능에 뚜렷한 영향을 미치지 않도록 하기 위해 필요한 피LOT SNR 임계값은 무엇인가?

주요 결과

• 메시지 전달 검출을 사용하는 OTFS-MA는 고속 이동 환경에서 OFDMA 및 SC-FDMA보다 더 우수한 BER 성능을 보이며, 특히 고 SNR 조건에서 두드러진다.
• 소규모 시스템에서는 최대우도 검출을 사용하는 OTFS-MA가 OFDMA 및 SC-FDMA를 능가하며, 이는 이중으로 분산된 채널에서 OTFS의 강인함을 입증한다.
• 피롯 SNR가 36 dB 이상일 경우, 채널 추정의 정규화된 평균 제곱오차(MSE)가 0.01 이하로 떨어지며, 이는 높은 추정 정확도를 의미한다.
• 피롯 SNR가 40 dB 및 50 dB일 경우, 추정된 채널을 사용한 BER 성능은 완벽한 채널 지식과 1 dB 이내로 근접하며, 제안된 피롯 기반 추정 방식의 효과성을 확인한다.
• 피롯 배치 방식은 각 사용자에 대해 도플러 방향으로 최소 max(αu,i) 간격을 확보함으로써 간섭 없는 수신을 보장하며, 이는 가드 존 요구 조건을 충족시킨다.
• 세 번째 방식은 각 사용자의 신호를 시간-주파수 평면의 일부 서브셋으로 제한함으로써 더 높은 합산 속도를 달성한다. 이는 이전 연구 [16]에서 분석된 lin과 일치하며 스펙트럼 효율성에 기여한다.