[논문 리뷰] Performance Analysis of Coded OTFS Systems over High-Mobility Channels

Shuangyang Li, Jinhong Yuan외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 25.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 26인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고속 이동 채널에서 코딩된 OTFS 시스템의 성능 분석을 제시하며, 상호 오류 확률(Pairwise Error Probability, PEP)에 대한 상한을 유도하고, 코딩 이득과 다양성 이득 사이의 근본적인 상충 관계를 규명한다. 분석 결과, OTFS는 고속 이동 환경에서 OFDM보다 뛰어난 성능을 보이며, 성능은 유효 거리의 제곱과 구별 가능한 채널 경로 수에 따라 달라진다.

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is a recently developed multi-carrier multi-slot transmission scheme for wireless communications in high-mobility environments. In this paper, the error performance of coded OTFS modulation over high-mobility channels is investigated. We start from the study of conditional pairwise-error probability (PEP) of the OTFS scheme, based on which its performance upper bound of the coded OTFS system is derived. Then, we show that the coding improvement for OTFS systems depends on the squared Euclidean distance among codeword pairs and the number of independent resolvable paths of the channel. More importantly, we show that there exists a fundamental trade-off between the coding gain and the diversity gain for OTFS systems, i.e., the diversity gain of OTFS systems improves with the number of resolvable paths, while the coding gain declines. Furthermore, based on our analysis, the impact of channel coding parameters on the performance of the coded OTFS systems is unveiled. The error performance of various coded OTFS systems over high-mobility channels is then evaluated. Simulation results demonstrate a significant performance improvement for OTFS modulation over the conventional orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation over high-mobility channels. Analytical results and the effectiveness of the proposed code design are also verified by simulations with the application of both classical and modern codes for OTFS systems.

연구 동기 및 목표

• 고속 이동 및 이중으로 분산된 채널에서 코딩된 OTFS 변조의 오류 성능을 분석하기 위해.
• 코딩된 OTFS 시스템에 대한 상호 오류 확률(PEP)에 대한 이론적 상한을 유도하기 위해.
• 채널 코딩 파rameter가 OTFS 성능에 미치는 영향, 특히 코딩 이득과 다양성 이득 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 고전적 및 현대적 채널 코드를 사용한 시뮬레이션을 통해 이론적 분석을 검증하기 위해.
• 고속 열차 및 드론과 같은 고속 이동 환경에서 OTFS가 기존 OFDM보다 뛰어난 성능을 보임을 보여주기 위해.

제안 방법

• 지연- doppler (DD) 도메인에서 OTFS 변조의 조건부 상호 오류 확률(PEP)을 유도한다.
• PEP 분석에 기반하여 코딩된 OTFS 시스템의 오류 성능에 대한 상한을 수립한다.
• 코딩 이득과 다양성 이득이 코드워드 간 유효 거리의 제곱과 채널에서 구별 가능한 경로 수에 어떻게 의존하는지 분석한다.
• 오류 성능 상한의 안정성을 평가하기 위해 행렬 조건수 분석을 적용하며, 채널 변환 행렬이 잘 조건화되어 있음을 보여준다.
• 고신호대역비(SNR) 조건을 가정하여 PEP 상한을 단순화하기 위해 SNR 근사 기법을 적용한다.
• 실제 고속 이동 fading 채널에서 다양한 코드(예: 컨volutional, LDPC)를 사용한 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Doppler 스프레드와 지연 스프레드와 같은 채널 파rameter가 증가함에 따라 코딩된 OTFS 시스템의 오류 성능는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 고속 이동 환경에서 코딩된 OTFS에 대한 상호 오류 확률(PEP)에 대한 이론적 상한은 무엇인가?
• RQ3 코딩 이득과 다양성 이득 사이의 상충 관계는 어떻게 발생하며, 이러한 상충 관계에 영향을 주는 요소는 무엇인가?
• RQ4 OTFS는 어느 정도까지 고속 이동 환경에서 기존 OFDM보다 뛰어나며, 그 성능 향상 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 다양한 채널 코딩 방식은 고Doppler 조건 하에서 OTFS 시스템의 오류 성능에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 코딩된 OTFS 시스템의 성능 상한은 조건부 상호 오류 확률(PEP)에 기반하여 유도되었으며, 코드 설계를 위한 이론적 기반을 제공한다.
• 코딩 이득과 다양성 이득 사이에 근본적인 상충 관계가 존재한다: 다양성 이득은 구별 가능한 경로 수가 많아질수록 증가하지만, 코딩 이득은 감소한다.
• OTFS는 DD 도메인 변조를 통해 시간-주파수 다양성을 극대화할 수 있기 때문에 고속 이동 환경에서 OFDM보다 뛰어난 오류 성능을 달성한다.
• OTFS의 오류 성능은 코드워드 쌍 간 유효 거리의 제곱과 채널 내 독립적인 구별 가능한 경로 수에 직접적으로 영향을 받는다.
• 시뮬레이션 결과, 고전적 및 현대적 코드(예: LDPC)를 OTFS에 적용할 경우 성능 향상이 뚜렷하게 나타나 이론적 분석을 검증한다.
• 제안된 PEP 상한은 고신호대역비 조건 하에서 잘 타당성이 있으며, 기저 함수의 천천히 감쇠하는 성질로 인해 근사 오차가 작다.