[論文レビュー] Channel Estimation and Equalization for CP-OFDM-based OTFS in Fractional Doppler Channels

Noriyuki Hashimoto, Noboru Osawa+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

PAPR reduction in OFDM参考文献 12被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、分数ドップラー周波数を有するCP-OFDMに基づくOTFSにおける低複雑性なチャネル推定およびイコライジング手法を提案する。パイロット応答の遅延-ドップラー領域における相互相関を活用し、入出力関係を小さな近似を伴う2次元巡回畳み込みとしてモデル化する。この手法は、PN系列に基づく推定法に比べて推定精度が高く、計算負荷が低い。イコライジング性能は、行列逆行列を用いたMMSEに近い。

ABSTRACT

Orthogonal time frequency and space (OTFS) modulation is a promising technology that satisfies high Doppler requirements for future mobile systems. OTFS modulation encodes information symbols and pilot symbols into the two-dimensional (2D) delay-Doppler (DD) domain. The received symbols suffer from inter-Doppler interference (IDI) in the fading channels with fractional Doppler shifts that are sampled at noninteger indices in the DD domain. IDI has been treated as an unavoidable effect because the fractional Doppler shifts cannot be obtained directly from the received pilot symbols. In this paper, we provide a solution to channel estimation for fractional Doppler channels. The proposed estimation provides new insight into the OTFS input-output relation in the DD domain as a 2D circular convolution with a small approximation. According to the input-output relation, we also provide a low-complexity channel equalization method using the estimated channel information. We demonstrate the error performance of the proposed channel estimation and equalization in several channels by simulations. The simulation results show that in high-mobility environments, the total system utilizing the proposed methods outperforms orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with ideal channel estimation and a conventional channel estimation method using a pseudo sequence.

研究の動機と目的

• 高移動環境における分数ドップラー補正による相互ドップラー干渉（IDI）を解消すること。
• 分数ドップラーを有するOTFSにおけるチャネル推定の計算複雑性を低減し、PN系列に基づく手法の高負荷を回避すること。
• 遅延-ドップラー領域における入出力関係の新規モデルに基づく低複雑性イコライジング手法を開発すること。
• UAVやLEO衛星などの高ドップラー周波数環境における推定精度とシステム性能を向上させること。
• 整数インデックスのドップラーサンプリングでは不十分な実世界の高移動環境におけるOTFSの実用的解決策を提供すること。

提案手法

• パイロット応答を遅延-ドップラー（DD）領域で用いた相互相関に基づくチャネル推定アルゴリズムを提案し、分数ドップラー周波数を推定する。
• 一般チャネル特性に基づく小さな近似を導出し、OTFSの入出力関係を遅延-ドップラー領域で2次元巡回畳み込みとしてモデル化する。
• 推定されたチャネル応答を基に、畳み込み型入出力モデルに基づく低複雑性イコライジング手法を設計する。
• 2次元巡回畳み込み構造を計算上で効率的に処理するため、ベクトル化とモジュロ演算を適用する。
• 性能と計算負荷のバランスを取るために、逐次的パス推定アプローチと停止基準を採用する。
• 性能と複雑性の評価のため、提案手法をPN系列に基づく推定法および行列逆行列を用いたMMSEイコライザと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のパイロットベース手法が非整数ドップラーインデックスを捉えきれない分数ドップラー周波数を有するOTFSにおけるチャネル推定をどのように改善できるか？
• RQ2 OTFSの入出力関係を2次元巡回畳み込みとして近似することの推定およびイコライジング性能に与える影響は何か？
• RQ3 相互相関に基づく手法は、大幅に低い計算負荷でPN系列に基づく推定法に比べて高い推定精度を達成できるか？
• RQ4 提案されたイコライジング手法は、行列逆行列を用いたMMSEイコライザと比較して、性能と複雑性の面でどのように異なるか？
• RQ5 提案手法は、高移動環境における相互ドップラー干渉（IDI）をどの程度軽減できるか？

主な発見

• 提案手法のチャネル推定法は、PN系列に基づく手法に比べて著しく低いブロック誤り率（BLER）を達成し、誤り床も低く抑えられており、推定精度の向上が裏付けられている。
• 提案手法のチャネル推定における計算負荷は、PN系列に基づく手法に比べて顕著に低く抑えられており、推定パス数 ˆP を用いて O(ˆPNCPνmax/ΔfDN2(M+NCP)) のスケーリングに従う。
• 提案されたイコライジング手法は、行列逆行列を用いたMMSEイコライザと非常に近いBLER性能を達成しており、2次元畳み込み近似によるわずかな性能差がある。
• シミュレーション結果から、提案手法を用いたOTFSは、500 km/hの高ドップラー環境下で、理想的なチャネル状態情報が得られたOFDMよりも優れた性能を示しており、ドップラー補正に強いことが明らかになった。
• 低分解能の分数ドップラー推定（D=10）でも高い性能を維持していることから、解像度制約に対してロバストであることが示された。
• 小さな近似を伴う2次元巡回畳み込みとしての入出力モデルは、近最適性能を維持しつつ、効果的な低複雑性イコライジングを実現可能にした。