[논문 리뷰] Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) Modulation Based Radar System

P. Raviteja, Khoa T. Phan외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 27.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고속 이동 목표의 강건한 거리 및 속도 추정을 가능하게 하는 레이더 시스템을 위한 OTFS 기반 매칭 필터 알고리즘을 제안한다. OTFS의 부호 간 간섭 없는 전송 및 감소된 순환 프리픽스를 활용하여, 기존의 OFDM 기반 레이더보다 고도프러러 시 환경에서 더 긴 탐지 범위, 더 빠른 추적 속도, 전체 서브캐리어 간격에 이르는 향상된 도플러 추정 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation was proposed to tackle the destructive Doppler effects in wireless communications, with potential applications to many other areas. In this paper, we investigate its application to radar systems, and propose a novel efficient OTFS-based matched filter algorithm for target range and velocity estimation. The proposed algorithm not only exhibits the inherent advantages due to multi-carrier modulation of the existing orthogonal frequency division multiplexing (OFDM-) based radar algorithms but also provides additional benefits to improve radar capability. Similar to OFDM, OTFS spreads the transmitted signal in the entire time--frequency resources to exploit the full diversity gains for radar processing. However, OTFS requires less cyclic prefix, and hence, shorter transmission duration than OFDM, allowing longer range radar and/or faster target tracking rate. Additionally, unlike OFDM, OTFS is inter-carrier interference-free, enabling larger Doppler frequency estimation. We demonstrate the performance of the proposed algorithm using numerical results under different system settings.

연구 동기 및 목표

• OFDM 기반 레이더의 고속 이동 환경에서의 한계, 특히 도플러에 대한 민감성과 부호 간 간섭 문제를 해결하기 위해.
• OTFS 변조를 레이더 시스템에 적용할 수 있는 타당성과 이점을 탐색하기 위해.
• OTFS의 전체 시간-주파수 자원 사용을 활용하여 레이더 처리에서 향상된 다양성 이득을 얻을 수 있는 효율적인 매칭 필터 알고리즘을 개발하기 위해.
• OTFS가 OFDM 기반 레이더보다 더 큰 도플러 주파수 추정과 더 긴 탐지 범위를 가능하게 함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 제안된 방법은 레이더 처리를 위해 전체 OTFS 프레임를 점유하는 무작위, 동일 전력 데이터 심볼을 사용하여 피LOT 심볼이 필요 없도록 한다.
• 전송된 웨이브폼을 알려진 상태에서 수신 신호와 상관시켜 지연-도플러 도메인에서 목표 파rameter를 추정하기 위해 전송단에서 매칭 필터를 적용한다.
• 신호 모델은 OTFS의 2차원 직교 기저 함수를 사용하여 전송 심볼을 지연-도플러 도메인으로 매핑하여 시간과 주파수 전역에서의 일관된 처리를 가능하게 한다.
• 알고리즘은 지연-도플러 도메인에서 OTFS의 본질적인 직교성을 활용하여 고도프러러 이동에 의한 신호 무결성을 유지한다.
• OFDM 대비 순환 프리픽스 오버헤드를 감소시켜 전송 지속 시간을 단축하고, 탐지 및 추적 성능을 향상시킨다.
• 이론적 분석을 통해 매칭 필터 출력 행렬의 평균과 분산을 유도하였으며, 고 SNR에서 비대칭 항목이 성능을 제한함을 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OTFS 변조는 고속 이동 환경에서 목표 탐지 향상을 위해 레이더 시스템에 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 OTFS 기반 레이더는 도플러 주파수 추정 능력 측면에서 OFDM 기반 레이더와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 감소된 순환 프리픽스와 전체 시간-주파수 자원 활용으로 인해 OTFS를 사용할 경우 탐지 범위와 추적 속도에서 어떤 성능 향상이 이루어지는가?
• RQ4 고 SNR에서 OTFS 레이더의 매칭 필터 출력이 어느 정도 포화 상태에 도달하며, 그 포화를 제한하는 요소는 무엇인가?
• RQ5 OTFS의 부호 간 간섭 없는 특성은 OFDM보다 더 높은 도플러 이동을 탐지할 수 있도록 가능하게 하는가?

주요 결과

• OTFS 기반 레이더는 전체 서브캐리어 간격 Δf까지 도플러 주파수 추정을 가능하게 하지만, OFDM은 약 10% Δf 이내로 제한된다.
• 제안된 알고리즘은 감소된 순환 프리픽스 덕분에 전송 지속 시간이 단축되고 효과적 신호 에너지가 증가하여 더 긴 거리의 레이더 작동이 가능해진다.
• 매칭 필터 출력은 고 SNR에서 1/MN에서 이미지 SNR 포화를 보이며, 상관 행렬의 비대칭 항목이 원인이다.
• 신호를 전체 시간-주파수 격자에 걸쳐 퍼트림으로써 알고리즘은 전체 다양성 이득을 유지하여 처리 이득을 향상시킨다.
• 수치적 결과는 OTFS 기반 레이더가 고속도 및 장거리 목표 탐지에서 OFDM 기반 레이더를 능가함을 확인한다.
• 이론적 분석은 매칭 필터 출력의 비대칭 요소가 평균 0이며, 분산이 MNP_s^2 + F_{i,j}임을 확인하였으며, F_{i,j}는 i.i.d. 심볼 가정과 대칭 조건으로 인해 0이다.