[논문 리뷰] OTFS: A New Generation of Modulation Addressing the Challenges of 5G

Ronny Hadani, Anton Monk|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 07.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 9인용 수 92

한 줄 요약

OTFS는 로컬라이즈된 펄스를 사용하여 지연-도플러 도메인에 QAM 심볼을 매핑하는 2D 변조를 도입하여 레이더와 통신을 연결하고, 5G 시나리오에서 도플러 및 다중 경로에 대한 강건성을 제공한다.

ABSTRACT

In this paper, we introduce a new 2D modulation scheme referred to as OTFS (Orthogonal Time Frequency & Space) that multiplexes information QAM symbols over new class of carrier waveforms that correspond to localized pulses in a signal representation called the delay-Doppler representation. OTFS constitutes a far reaching generalization of conventional time and frequency modulations such as TDM and FDM and, from a broader perspective, it establishes a conceptual link between Radar and communication. The OTFS waveforms couple with the wireless channel in a way that directly captures the underlying physics, yielding a high-resolution delay-Doppler Radar image of the constituent reflectors. As a result, the time-frequency selective channel is converted into an invariant, separable and orthogonal interaction, where all received QAM symbols experience the same localized impairment and all the delay-Doppler diversity branches are coherently combined. The high resolution delay-Doppler separation of the reflectors enables OTFS to approach channel capacity with optimal performance-complexity tradeoff through linear scaling of spectral efficiency with the MIMO order and robustness to Doppler and multipath channel conditions. OTFS is an enabler for realizing the full promise of MUMIMO gains even in challenging 5G deployment settings where adaptation is unrealistic.

연구 동기 및 목표

• 5G 배치에서 도플러 및 다중 경로에 강건한 변조 방식의 필요성을 제시한다.
• OTFS를 전통적인 TDM과 FDM의 일반화로 도입한다.
• 로컬라이즈된 펄스를 갖는 지연-도플러 신호 표현을 제안한다.
• OTFS가 무선 채널과 결합하여 모든 심볼에 대해 불변의 손상을 야기하는 방식을 보여준다.
• OTFS를 레이더 개념과 MIMO 이득과 연결한다.

제안 방법

• 지연-도플러 좌표에 대해 QAM을 다중화하는 2차원 OTFS 변조를 제안한다.
• 지연-도플러 표현에서 로컬라이즈된 펄스에 대응하는 새로운 계열의 반송파를 사용한다.
• OTFS가 시간-주파수 선택 채널을 불변적이면서 분리 가능하고 직교적인 상호작용으로 변환하는 방법을 설명한다.
• 대칭성(symplectic) 및 Zak 변환과 지연-도플러 변조 개념과의 관계를 기술한다.
• OTFS가 MIMO 차수에 따라 스펙트럴 효율의 선형 스케일링과 도플러 및 다중 경로 조건에 대한 강건성을 가능하게 한다고 주장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OTFS가 5G 시나리오에서 높은 스펙트럴 효율을 유지하면서 도플러와 다중 경로에 대한 강건성을 제공할 수 있는가?
• RQ2 지연-도플러 표현이 모든 지연-도플러 다양성 가지를 일관되게 결합하도록 어떻게 돕는가?
• RQ3 도전적인 배치 환경에서 OTFS와 MU-MIMO 이득 사이의 이론적 연결은 무엇인가?
• RQ4 OTFS가 레이더 신호 개념과 어떤 관련이 있으며 채널 용량에 어떤 함의를 가지는가?
• RQ5 전통적인 TDM/FDM 변조와 비교한 OTFS의 성능-복잡도 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• OTFS는 채널 반사체에 대한 고해상도 지연-도플러 관점을 제공한다.
• 시간-주파수 채널은 OTFS에 대해 불변적이고 분리 가능하며 직교한 상호작용으로 변환된다.
• 수신된 모든 QAM 심볼은 동일한 로컬라이즈된 손상을 경험하여 지연-도플러 가지를 통해 일관된 결합을 가능하게 한다.
• OTFS는 MIMO 차수에 따라 스펙트럴 효율의 선형 스케일링을 지원하고 도플러 및 다중 경로 조건에 대한 강건성을 보인다.
• OTFS는 레이더와 통신 간의 개념적 연결을 제공하여 5G 배치에서 MU-MIMO 이득의 실현을 돕는다.