[논문 리뷰] Orthogonal Time Frequency Space Modulation

Ronny Hadani, Shlomo Rakib외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 01.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 31인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 시간-도플러 도메인에서 작동하는 새로운 이중 차원 변조 방식인 수직 시간 주파수 공간(OTFS) 변조를 소개한다. 이는 시간에 따라 변하는 무선 채널을 근사로 일정한 이득을 가지는 안정적인 시간 불변 채널로 변환한다. 시간과 주파수에서 정규직교 기저 함수를 활용해 채널의 전체 다양성을 활용함으로써, 고속 이동성 및 단기 패킷 환경에서 OFDM 대비 최대 4 dB의 블록 오류율(BLER) 향상을 달성하며, 피드백 오버헤드를 크게 줄이고 5세대 및 그 이상의 시스템에서의 강인성을 향상시킨다.

ABSTRACT

This paper introduces a new two-dimensional modulation technique called Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) modulation. OTFS has the novel and important feature of being designed in the delay-Doppler domain. When coupled with a suitable equalizer, OTFS modulation is able to exploit the full channel diversity over both time and frequency. Moreover, it converts the fading, time-varying wireless channel experienced by modulated signals such as OFDM into a time-independent channel with a complex channel gain that is essentially constant for all symbols. This design obviates the need for transmitter adaptation, and greatly simplifies system operation. The paper describes the basic operating principles of OTFS as well as a possible implementation as an overlay to current or anticipated standardized systems. OTFS is shown to provide significant performance improvement in systems with high Doppler, short packets, and/or large antenna array. In particular, simulation results indicate at least several dB of block error rate performance improvement for OTFS over OFDM in all of these settings.

연구 동기 및 목표

• 피드백이 비현실적인 고도플러, 고속 이동성 및 단기 패킷 무선 시스템에서 OFDM의 한계를 해결하기 위해.
• 시간에 따라 변하는 다중 경로 fading에도 불구하고 안정적인 효과적 신호대잡음비(SNR)를 유지할 수 있는 변조 방식을 개발하기 위해.
• 시간과 주파수 전역에서의 다양성 최대 활용을 위해 변조를 시간-도플러 도메인으로 재정의하기 위해.
• 특히 V2X 및 밀리미터파 통신에서 제한된 또는 없는 채널 상태 정보(CSI) 피드백이 존재하는 시스템에서 피드백 오버헤드와 복잡성을 줄이기 위해.
• 안정적이고 예측 가능한 채널 행동을 통해 대량 MIMO 및 저지연 응용 분야에서 견고한 성능을 지원하기 위해.

제안 방법

• OTFS는 전송 프레임의 전체 시간 및 주파수 기간을 커버하는 이중 차원 정규직교 기저 함수에 데이터 심볼을 변조한다.
• 시스템은 시간에 따라 변하는 무선 채널을 각 심볼이 일정한 복소 이득을 가지는 시간-도플러 도메인 채널로 변환하여, 효과적으로 채널을 시간 불변으로 만든다.
• 변조는 창함수의 이산 심플렉틱 푸리에 변환을 사용하여 구현되며, 이는 시간-도플러 도메인에서 채널의 압축 표현을 가능하게 한다.
• 등화는 시간-도플러 도메인에서 수행되어 채널의 전체 다양성을 추출하며, 모든 심볼이 동일한 채널 이득을 경험하도록 보장한다.
• 해조 과정는 채널 인력 응답과 변환된 창함수의 커플링을 포함하며, 수학적으로 자크 변환과 심플렉틱 푸리에 변환을 사용해 유도된다.
• 스프레딩을 시간과 주파수 양쪽으로 확장하면서도 정규직교성과 도플러 스프레드에 대한 강인성을 유지함으로써, OFDM과 CDMA를 일반화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피드백이 비현실적인 고속 이동 환경에서 안정적인 SNR를 유지할 수 있는 변조 방식을 설계할 수 있는가?
• RQ2 시간-도플러 도메인에서 작동함으로써, 시간에 따라 변하는 채널에서 OFDM 대비 전체 다양성 추출과 오류율 향상 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ3 고도플러 상황에서 OTFS는 OFDM 대비 채널 이득 변동의 표준편차를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 OFDM이 다양성을 감소시키는 단기 패킷 및 다중 사용자 시스템에서 OTFS는 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 압축된 시간-도플러 채널 표현 덕분에 OTFS는 대량 MIMO와 고밀도 기준 신호 배치를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• OTFS는 채널 전력 변동의 표준편차를 OFDM의 4 dB에서 0.1 dB로 감소시켜 매우 안정적인 효과적 SNR를 확보한다.
• 고속 이동 환경(120 km/h)에서 10 ms 창을 사용할 경우, OTFS는 SNR의 표준편차가 0.2 dB에 불과하지만, OFDM은 4 dB 이상을 기록한다.
• 1 ms 창을 사용할 경우, OTFS는 1% 장애 확률을 충족하기 위해 OFDM 대비 7 dB 낮은 페이딩 마진 요구량을 확보한다.
• 고도플러, 단기 패킷, 밀리미터파 시스템에서 OTFS는 OFDM 대비 최소 2–4 dB의 블록 오류율(BLERT) 향상을 제공한다.
• 4 PRB와 16QAM 조건에서 OTFS는 모든 SNR 수준에서 안정적인 성능을 유지하지만, OFDM은 저SNR에서 심각한 성능 저하를 보인다.
• OTFS는 2에서 50 PRB까지의 패킷 크기 전역에서 근사로 일정한 BLER를 유지하지만, OFDM은 패킷 크기가 감소함에 따라 성능이 급격히 악화된다.