[논문 리뷰] Orthogonal Delay-Doppler Division Multiplexing Modulation

Hai Lin, Jinhong Yuan|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 28.

PAPR reduction in OFDM인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고속 이동성 6G 시스템의 이중선택적 채널을 위한 새로운 다Carrier 변조 방식인 직교 지연-Doppler 분할 multiplexing (ODDM)을 제안한다. 지연-Doppler (DD) 평면의 미세 해상도에 대해 직교인 펄스를 구성함으로써, ODDM은 완벽한 신호-채널 결합을 가능하게 하여, OTFS보다 우수한 밴드 외부 방출 및 비트 오류율 성능을 보이는 블록-순환 유사 채널 행렬을 생성한다.

ABSTRACT

Inspired by the orthogonal time frequency space (OTFS) modulation, in this paper, we consider designing a multicarrier (MC) modulation on delay-Doppler (DD) plane, to couple the modulated signal with a doubly-selective channel having DD resolutions. A key challenge for the design of DD plane MC modulation is to investigate whether a realizable pulse orthogonal with respect to the DD plane's fine resolutions exists or not. To this end, we first indicate that a feasible DD plane MC modulation is essentially a type of staggered multitone modulation. Then, analogous to orthogonal frequency division multiplexing, we propose an orthogonal delay-Doppler division multiplexing (ODDM) modulation, and design the corresponding transmit pulse. Furthermore, we prove that the proposed transmit pulse is orthogonal with respect to the DD plane's resolutions and therefore a realizable DD plane orthogonal pulse does exist. The orthogonality of this particular pulse significantly eases the derivation of the ODDM's DD domain channel input-output relation, and yields a channel matrix with an elegant block-circulant-like structure. We demonstrate that the ODDM outperforms the OTFS in terms of out-of-band emission and bit error rate, by achieving perfect coupling between the modulated signal and the DD channel.

연구 동기 및 목표

• 이중선택적 fading 채널에서 지연-Doppler (DD) 평면의 해상도에 대해 실현 가능하고 직교적인 펄스를 설계하는 데 도전하는 것.
• 시간-주파수 도메인에서 OFDM에 해당하는 바와 같이, 전송 신호와 DD 도메인 채널 간의 완벽한 결합을 달성하는 변조 방식을 개발하는 것.
• DD 평면의 미세 해상도에 대해 직교하는 펄스가 존재하며, 실용적으로 구현 가능하다는 것을 보여주는 것.
• 제안된 ODDM 변조가 신호 검출 및 추정을 단순화하는 블록-순환 유사 채널 행렬을 생성한다는 것을 보여주는 것.
• 특히 고속 이동성 환경에서의 성능을 고려해, ODDM과 OTFS 간의 스펙트럼 효율성 및 오류 성능을 비교하는 것.

제안 방법

• 논문은 실현 가능한 DD 평면 다Carrier 변조가 본질적으로 스타그거드 멀티톤 변조임을 규명함으로써 체계적인 설계를 가능하게 한다.
• 이를 바탕으로 OFDM과 유사하지만 DD 도메인에서 작동하는 새로운 변조 포맷인 직교 지연-Doppler 분할 multiplexing (ODDM)을 제안한다.
• 전송 펄스는 [-QT/M, QT/M] 범위에서 지원을 가지며, 실수값의 시간 제한된 제곱근 Nyquist 펄스로 설계되어 DD 평면의 해상도 격자에 대해 직교성을 확보한다.
• 직교성은 애매함 함수를 통해 엄밀히 증명되며, 펄스의 교차-애매함 응답이 모든 비영인 시간-Doppler 이동에서 0이 됨을 보여준다.
• 채널의 입력-출력 모델은 DD 도메인에서 유도되며, 펄스의 직교성 덕분에 블록-순환 유사한 구조를 갖는다.
• 근사 기법을 사용하여 펄스의 시간 도메인 웨이브폼이 이상화된 형태와 거의 일치하며, 오차가 무시할 만큼 작다는 것을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지연-Doppler 평면의 해상도에 대해 실현 가능하고 직교적인 펄스가 존재하는가?
• RQ2 전달 신호가 DD 도메인의 이중선택적 채널과 완벽하게 결합되는 변조 방식을 설계할 수 있는가?
• RQ3 ODDM은 OTFS와 비교해 밴드 외부 방출 및 비트 오류율 성능 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 직교 펄스를 사용할 경우 DD 도메인 채널 행렬에 어떤 구조적 특성이 나타나는가?
• RQ5 제안된 펄스는 시간 도메인에서 거의 무시할 수 있는 근사 오차로 실용적으로 구현 가능한가?

주요 결과

• DD 평면에 대해 실현 가능하고 직교적인 펄스가 존재하며, [-QT/M, QT/M] 범위에서 지원을 가지며 실수값의 제곱근 Nyquist 펄스로 구성된다.
• 제안된 ODDM 변조는 신호와 DD 도메인 채널 간의 완벽한 결합을 달성하여, 구조화된 블록-순환 유사 채널 행렬을 생성한다.
• 전송 펄스의 직교성 덕분에 DD 도메인에서 심호 간 간섭과 심호 간 간섭이 완전히 제거되어 검출을 단순화한다.
• 펄스의 시간 도메인 웨이브폼에서의 근사 오차는 환경의 감쇠와 펄스 지원 범위 내에서의 작은 위상 변화로 인해 거의 무시할 수 있다.
• 특히 이중선택적 채널이 존재하는 고속 이동성 환경에서 ODDM은 밴드 외부 방출과 비트 오류율 측면에서 OTFS를 능가한다.
• 유도된 DD 도메인 채널 모델은 블록-순환 유사한 구조를 가지며, 효율적인 추정 및 저복잡도 신호 처리를 가능하게 한다.