[논문 리뷰] On the Effectiveness of OTFS for Joint Radar and Communication

Lorenzo Gaudio, Mari Kobayashi외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 04.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 36인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 차량 환경에서 공동 레이다 및 통신을 위해 직교 시간 주파수 공간(OTFS) 변조를 제안한다. 이는 FMCW 레이다 수준의 정밀한 지연- doppler 추정을 가능하게 하면서도 데이터 전송에 대해 전체 스펙트럼 효율성을 확보한다. 이 방법은 레이다 파ram터 추정을 위한 효율적인 근사 최대우도 추정기와 낮은 복잡도의 메시지 전달 소프트 출력 검출기를 활용하여 기존 방법에 비해 뛰어난 실용적 이점을 제공하는 근사 최적 성능을 보인다.

ABSTRACT

We consider a joint radar estimation and communication system using orthogonal time frequency space (OTFS) modulation. The scenario is motivated by vehicular applications where a vehicle equipped with a mono-static radar wishes to communicate data to its target receiver, while estimating parameters of interest related to this receiver. In a point-to-point communication setting over multi-path time-frequency selective channels, we study the joint radar and communication system from two perspectives, i.e., the radar estimation at the transmitter as well as the symbol detection at the receiver. For the radar estimation part, we derive an efficient approximated Maximum Likelihood algorithm and the corresponding Cramér- Rao lower bound for range and velocity estimation. Numerical examples demonstrate that multi-carrier digital formats such as OTFS can achieve as accurate radar estimation as state-of-the-art radar waveforms such as frequency-modulated continuous wave (FMCW). For the data detection part, we focus on separate detection and decoding and consider a soft-output detector that exploits efficiently the channel sparsity in the Doppler-delay domain. We quantify the detector performance in terms of its pragmatic capacity, i.e. the achievable rate of the channel induced by the signal constellation and the detector soft output. Simulations show that the proposed scheme outperforms concurrent state-of-the-art solutions. Overall, our work shows that a suitable digitally modulated waveform enables to efficiently operate joint radar and communication by achieving full information rate of the modulation and near-optimal radar estimation performance. Furthermore, OTFS appears to be particularly suited to the scope.

연구 동기 및 목표

• 고속 이동 차량 환경에서 OTFS를 공동 레이다 및 통신을 위한 통합 웨이브폼으로 평가하는 것.
• 통신 스펙트럼 효율성을 희생시키지 않고 정확한 레이다 추정(거리 및 속도)을 달성하는 데 도전하는 것.
• 도플러-지연 도메인에서 채널의 희박성을 활용한 낮은 복잡도의 소프트 출력 검출 기반 OTFS 설계.
• 실제의 다중 경로 및 시간-주파수 선택성 fading 조건 하에서 OTFS의 실용적 용량을 정량화하는 것.
• 정밀도 및 실현 가능한 속도 측면에서 최신 기술의 레이다 웨이브폼(FMCW 등) 및 통신 검출기와의 OTFS 성능 비교

제안 방법

• 반사된 OTFS 신호로부터 지연 및 도플러 시프트(거리 및 속도)를 공동으로 추정하기 위한 효율적인 근사 최대우도(ML) 알고리즘 제안.
• 지연 및 도플러 추정의 이론적 성능 한계를 설정하기 위해 크래머-라오 하한(CRLB) 유도.
• 수신 신호를 기반으로 한 전송 기호의 공동 사후 분포를 인수 그래프 표현을 통해 기반으로 한 메시지 전달(MP) 소프트 출력 검출기 개발.
• 희박한 채널 응답을 갖는 OTFS 시스템에서 낮은 복잡도로 병렬 처리 가능한 검출을 가능하게 하기 위해 인수 그래프에 대해 합-곱 알고리즘(SPA) 적용.
• 계수형 변조 및 검출기의 소프트 출력을 고려한 실용적 용량 지표를 사용하여 통신 성능 평가.
• 제한적인 이중 블록 순환 구조를 갖는 이중 수직 펄스 가정을 피하기 위해 직사각형 펄스 및 비정수 도플러-지연 이동을 갖는 현실적인 채널 모델을 사용하여 제안된 방법 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OTFS는 전용 FMCW 웨이브폼 수준의 정밀도를 확보하면서도 전체 속도의 데이터 통신을 지원할 수 있는가?
• RQ2 정밀도 MSE 및 실현 가능한 속도 측면에서 OTFS 기반 공동 레이다 및 통신은 기존의 OFDM 및 FMCW와 비교해 어떻게 성능을 내는가?
• RQ3 비정수 도플러 및 지연 이동이 실질적인 그리드에 맞지 않는 채널 조건에서 OTFS 검출 알고리즘 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 낮은 복잡도의 메시지 전달 검출기가 희박한 지연-도플러 채널 응답을 갖는 OTFS 시스템에서 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 채널 불일치에 대한 성능 및 내성 측면에서 제안된 MP 기반 검출기는 고복잡도 LMMSE 및 이전의 MP 기반 방법과 비교해 어떻게 성능가능성이 있는가?

주요 결과

• OTFS는 다중 경로 환경에서도 거리 및 속도 추정의 평균 제곱오차(MSE) 측면에서 FMCW와 동일한 레이다 추정 성능을 달성한다.
• 제안된 근사 ML 추정기는 근사 CRLB 성능을 달성하여 지연-도플러 추정의 높은 정확도를 입증한다.
• MP 기반의 소프트 출력 검출기는 [19]의 방법을 능가하며, 이전 방법과 달리 비정수 도플러 및 지연 이동 조건에서도 성능 저하가 최소화된다.
• 제안된 OTFS 시스템의 실용적 용량은 풍부한 산란 환경에서 기존 최신 기술 대비 뛰어나다.
• 낮은 복잡도의 LMMSE 추정기([26]에서 제안)는 직사각형 펄스 모델에서 이중 블록 순환 구조를 잃어 그 가정이 무효화되어 실패한다.
• 제안된 MP 검출기는 성능-복잡도의 우수한 트레이드오프를 달성하여 P=3,4일 경우 고복잡도 블록별 LMMSE 균형기보다 뛰어나며, P=1,2일 경우에도 경쟁력 있는 성능 유지를 한다.