[논문 리뷰] Effect of Prefix/Suffix Configurations on OTFS Systems with Rectangular Waveforms

Salah Eddine Zegrar, Hüseyin Arslan|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 30.

PAPR reduction in OFDM인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 직사각형 파형을 사용하는 직교 시간-주파수 공간(OTFS) 시스템에서 다양한 프리픽스/서픽스 구성—예를 들어, 전체-CP, 감소-CP, 전체-ZS, 감소-ZP—이 미치는 영향을 조사한다. 각 구성에 대해 효과적 채널과 수신 신호에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, 프리픽스/서픽스 선택이 부호 간 간섭과 부호 간 간섭에 크게 영향을 준다는 것을 보여주며, 전체-제로 서픽스(FZS)가 도플러 확산을 줄이고 채널의 일관성을 향상시켜 고속 이동 환경에서 뛰어난 성능을 발휘한다는 것을 확인한다.

ABSTRACT

Recently, orthogonal time-frequency-space (OTFS) modulation is used as a promising candidate waveform for high mobility communication scenarios. In practical transmission, OTFS with rectangular pulse shaping is implemented using different prefix/suffix configurations including reduced-cyclic prefix (RCP), full-CP (FCP), full-zero suffix (FZS), and reduced-zero padded (RZP). However, for each prefix/suffix type, different effective channel are seen at the receiver side resulting in dissimilar performance of the various OTFS configurations given a specific communication scenario. To fulfill this gap, in this paper, we study and model the effective channel in OTFS systems using various prefix/suffix configurations. Then, from the input-output relation analysis of the received signal, we show that the OTFS has a simple sparse structure for all prefix/suffix types, where the only difference is the phase term introduced when extending quasi-periodically in the delay-Doppler grid. We provide a comprehensive comparison between all OTFS types in terms of channel estimation/equalization complexity, symbol detection performance, power and spectral efficiencies, which helps in deciding the optimal prefix/suffix configuration for a specific scenario. Finally, we propose a novel OTFS structure namely reduced-FCP (RFCP) where the information of the CP block is decodable.

연구 동기 및 목표

• 직사각형 펄스 성형을 사용하는 OTFS 시스템에서 다양한 프리픽스/서픽스 구성(예: FCP, FZS, RCP, RZP)이 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 다양한 프리픽스/서픽스 유형 하에서 OTFS 시스템의 효과적 채널과 수신 신호를 모델링하기 위해.
• 고속 이동 환경에서 각 구성이 부호 간 간섭(ISI)과 부호 간 간섭(ICI)에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 신호 대 잡음비(SNR), 비트 오류율(BER), 정규화된 평균 제곱 오차(NMSE) 측면에서 구성 간 성능을 비교하기 위해.
• 프리픽스/서픽스 설계가 시스템 성능에 미치는 영향를 반영하는 효과적 채널과 수신 신호에 대한 폐쇄형 표현식을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이산 푸리에 변환(DFT)과 심플렉틱 유한 푸리에 변환(SFFT) 도메인을 사용하여 각 프리픽스/서픽스 유형(예: FCP, FZS)에 대한 효과적 채널 행렬을 유도한다.
• 시간 도메인 채널 인파르스 응답(CIR)을 모델링하고, 역 심플렉틱 유한 푸리에 변환(ISFFT)을 사용하여 지연-도플러(DD) 도메인으로 매핑한다.
• 시간 및 주파수 이동을 고려하여 크로네커 델타 함수와 위상 항을 사용하여, 다양한 프리픽스/서픽스 길이에 의해 유도되는 이동을 반영한 폐쇄형 수식으로 수신 신호를 표현한다.
• 분수 도플러와 시간/주파수 정렬의 영향을 모듈로 연산과 지수 위상 항을 사용하여 분석한다.
• 채널 통계를 기술하기 위해 일반화된-K(KG) fading 모델을 적용하고, 다양한 구성 하에서의 효과적 채널 표현식을 유도한다.
• 유도된 모델을 수학적 증명과 유도 과정을 통해 검증하며, 효과적 채널이 특정 프리픽스/서픽스 구조에 의존한다는 것을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직사각형 파형을 사용하는 OTFS 시스템에서 프리픽스/서픽스 구성(예: FCP, FZS, RCP, RZP) 선택이 효과적 채널에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 다양한 프리픽스/서픽스 유형을 사용할 경우 OTFS에서 수신 신호의 수학적 형태는 무엇이며, 구성 간에 어떻게 다를까?
• RQ3 프리픽스/서픽스 구성은 고속 이동 환경에서 부호 간 간섭(ISI)과 부호 간 간섭(ICI)에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 전체-제로 서픽스(FZS) 구성이 신호 품질 향상과 간섭 억제 측면에서 다른 구성보다 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 프리픽스/서픽스 설계의 영향를 반영하는 효과적 채널과 수신 신호에 대한 폐쇄형 표현식은 무엇인가?

주요 결과

• 전체-제로 서픽스(FZS) 구성은 최적의 시간-주파수 정렬과 도플러 확산 감소로 인해 가장 낮은 부호 간 간섭(ISI)과 부호 간 간섭(ICI)을 유도한다.
• FZS의 효과적 채널은 하삼각행렬로 모델링되며, 이는 고속 이동 환경에서 검출을 단순화하고 오류 전파를 감소시킨다.
• FZS의 수신 신호는 지연과 도플러 이동에 따라 변하는 위상 항 $ e^{j2rac{ ilde{k}_i(l-l_i)}{MN}} $ 를 보이며, 이는 신호의 일관성을 향상시킨다.
• 반면, 전체 사이클릭 프리픽스(FCP) 구성은 $ L_{ ext{cp}} $ 에 의존하는 위상 이동을 유도하며, 이는 효과적 지연 스프레드를 증가시켜 고속 이동 환경에서 성능을 떨어뜨린다.
• 모델은 FZS가 FCP 및 RCP와 비교해 고도의 도플러 조건에서도 더 낮은 정규화된 평균 제곱 오차(NMSE)와 비트 오류율(BER) 성능을 달성함을 보여준다.
• 유도된 표현식은 프리픽스/서픽스 선택이 효과적 채널 응답을 직접적으로 변화시킴을 확인하며, 이는 직사각형 파형을 사용하는 OTFS 시스템에서 핵심 설계 매개변수임을 입증한다.