[논문 리뷰] Receiver Design for OTFS with Fractionally Spaced Sampling Approach

Yao Ge, Qinwen Deng외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 02.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 43인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이상적인 이중수직 펄스나 격자에 맞는 도플러-지연 이동을 가정하지 않는 실용적인 직사각형 펄스를 사용하는 오р타ogonal 타임-주파수-스페이스(OTFS) 시스템을 위한 분수간격 샘플링(FSS) 수신기를 제안한다. 지연-도플러 도메인에서 일반적인 입력-출력 관계를 유도하고, 반복적 병합 메시지 전달(ICMP) 및 터보 메시지 전달(TMP) 알고리즘을 적용함으로써, FSS 수신기는 높은 이동성 환경에서 시간에 따라 변하는 채널 조건에서도 뛰어난 성능과 강인성을 확보한다.

ABSTRACT

The recent emergence of orthogonal time frequency space (OTFS) modulation as a novel PHY-layer mechanism is more suitable in high-mobility wireless communication scenarios than traditional orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). Although multiple studies have analyzed OTFS performance using theoretical and ideal baseband pulseshapes, a challenging and open problem is the development of effective receivers for practical OTFS systems that must rely on non-ideal pulseshapes for transmission. This work focuses on the design of practical receivers for OTFS. We consider a fractionally spaced sampling (FSS) receiver in which the sampling rate is an integer multiple of the symbol rate. For rectangular pulses used in OTFS transmission, we derive a general channel input-output relationship of OTFS in delay-Doppler domain without the common reliance on impractical assumptions such as ideal bi-orthogonal pulses and on-the-grid delay/Doppler shifts. We propose two equalization algorithms: iterative combining message passing (ICMP) and turbo message passing (TMP) for symbol detection by exploiting delay-Doppler channel sparsity and the frequency diversity gain via FSS. We analyze the convergence performance of TMP receiver and propose simplified message passing (MP) receivers to further reduce complexity. Our FSS receivers demonstrate stronger performance than traditional receivers and robustness to the imperfect channel state information knowledge.

연구 동기 및 목표

• 이상적인 이중수직 펄스나 격자에 맞는 도플러-지연 이동을 가정하지 않는 실용적인 펄스 형태(예: 직사각형 펄스)를 사용하는 OTFS 수신기 설계의 부족을 해결하기 위해.
• 헤이젠베르크 불확정성 원리로 인해 비현실적인 것으로 간주되는 이상적인 이중수직 펄스나 격자에 맞는 지연/도플러 이동을 가정하는 기존 OTFS 수신기의 한계를 극복하기 위해.
• 정수 배수의 심벌 속도에 해당하는 분수간격 샘플링(FSS)을 활용하여 지연-도플러 도메인에서의 채널 다양성과 희박성 특성을 극대화하는 수신기 아키텍처를 개발하기 위해.
• 불완전한 채널 상태 정보에 강인하고 실세계 OTFS 구현에 적합한 저복잡도 고성능 등화 알고리즘—ICMP 및 TMP—을 설계하기 위해.

제안 방법

• 직사각형 펄스와 프레임당 하나의 순환 프리픽스를 사용하여, 이상적인 펄스나 격자에 맞는 도플러-지연 이동을 가정하지 않고 지연-도플러 도메인에서 OTFS의 일반적인 입력-출력 관계를 유도한다.
• 심벌 속도의 정수 배수인 샘플링 속도로 분수간격 샘플링(FSS)을 적용하여 충분한 통계를 유지하고 채널 다양성 이득을 극대화한다.
• 채널 희박성과 시간에 따라 변하는 채널 구조를 활용하여, 반복적 병합 메시지 전달(ICMP) 및 터보 메시지 전달(TMP) 알고리즘을 기반으로 한 등화 알고리즘 두 가지를 개발한다.
• 성능 유지와 함께 복잡도를 낮추기 위해 단순화된 메시지 전달(MP) 변형을 제안한다.
• 교차 애매함 함수와 샘플링된 채널 인과 응답을 사용하여 지연-도플러 도메인에서의 효과적 채널 행렬을 모델링한다.
• 지연-도플러 도메인에서 효과적 채널 계수에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하여 메시지 전달을 통한 효율적 기호 검출을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이상적인 이중수직 펄스를 가정하지 않고 실현 가능한 직사각형 펄스를 사용하는 실용적인 OTFS 수신기를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 프레임당 하나의 순환 프리픽스를 사용하는 직사각형 펄스를 사용할 경우, 지연-도플러 도메인에서 OTFS의 입력-출력 관계는 어떻게 되는가?
• RQ3 분수간격 샘플링(FSS)이 시간에 따라 변하는 채널 조건이 존재하는 고속 이동성 OTFS 시스템에서 다양성 이득과 성능 향상에 기여할 수 있는가?
• RQ4 불완전한 채널 상태 정보 하에서 ICMP 및 TMP 등화 알고리즘이 수렴 성능과 강인성 측면에서 어떻게 작동하는가?
• RQ5 비격자에 맞는 지연과 도플러 이동이 OTFS 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇이며, 이를 효과적으로 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 FSS 수신기는 샘플링 속도를 높여 채널 다양성을 극대화함으로써 기존 심벌 간격 샘플링 수신기보다 뛰어난 성능을 달성한다.
• 지연-도플러 도메인에서 유도된 입력-출력 관계는 이상적인 펄스 형태나 격자에 맞는 지연/도플러 이동을 요구하지 않으며, 직사각형 펄스에 대해 일반적으로 유효하다.
• 터보 메시지 전달(TMP) 수신기는 양호한 수렴 성능과 불완전한 채널 상태 정보에 대한 강인성을 보이며, 실용적 구현에 적합하다.
• 성능 유지와 함께 복잡도를 낮추기 위해 단순화된 메시지 전달(MP) 변형이 제안되었다.
• FSS 기반 OTFS 수신기는 이중 분산 채널에서 심벌 간 간섭(ISI)과 캐리어 간 간섭(ICI)을 효과적으로 완화한다.
• OTFS 프레임당 하나의 순환 프리픽스를 사용함으로써 스펙트럼 효율성을 유지하면서도 고도의 등화를 통한 효과적인 간섭 제거가 가능하다.