[논문 리뷰] Interference Cancellation and Iterative Detection for Orthogonal Time Frequency Space Modulation

P. Raviteja, Khoa T. Phan외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 14.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 16인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 지연-도플러 채널에서 직교 시간주파수공간(OTFS) 변조의 공동 간섭 제거 및 심볼 검출을 위한 저복잡도 메시지 전파 알고리즘을 제안한다. 채널의 희박성 특성을 활용하고 위상 이동을 통해 부재간 간섭과 부재간 간섭을 제거함으로써, 주요 항목들에 대한 선택적 처리를 통해 간섭 제거를 효과적으로 수행함으로써 실용적인 직사각형 파형이 실현 불가능한 이상적인 펄스 shaping 파형과 비교해 유사한 성능을 달성할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

The recently proposed orthogonal time frequency space (OTFS) modulation technique was shown to provide significant error performance advantages over orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) in Doppler channels. In this paper, we derive the explicit input-output relation describing OTFS modulation and demodulation (mod/demod) for delay-Doppler channels. We analyze the interferences and develop a novel low-complexity yet efficient message passing (MP) algorithm for joint interference cancellation (IC) and symbol detection. The proposed MP algorithm can effectively compensate for a wide range of channel Doppler spreads.

연구 동기 및 목표

• 고도플러, 시간에 따라 변하는 채널에서 OFDM의 성능 한계를 해결하기 위해.
• 이상적인 이양성 및 실용적인 직사각형 펄스 shaping 파형을 사용한 OTFS 변조의 지연-도플러 도메인에서의 입력-출력 관계를 분석하기 위해.
• 비이상적인 파형으로 인해 발생하는 간섭 유형—도플러 간섭(İDI), 부재간 간섭(İCI), 부재간 간섭(İSI)—을 식별하고 특성화하기 위해.
• 채널의 희박성을 활용하여 공동 간섭 제거 및 심볼 검출을 수행하는 저복잡도 메시지 전파 알고리즘을 개발하기 위해.
• 실제 조건에서 실용적인 직사각형 파형을 사용하는 OTFS가 실현 불가능한 이상적인 펄스 shaping 파형을 사용하는 OTFS와 동일한 성능을 달성할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 역 심플렉틱 유한 푸리에 변환(ISFFT) 및 SFFT 연산을 사용하여 지연-도플러 채널에서의 OTFS 변조 및 복조에 대한 명시적 입력-출력 관계를 유도하기 위해.
• 간섭 성분 분석: 이상적인 파형에서 분수 도플러 효과로 인해 발생하는 İDI; 직사각형 파형에서의 불완전한 이양성으로 인해 발생하는 İCI 및 İSI.
• 희박한 요소 그래프를 기반으로 한 메시지 전파(MP) 알고리즘을 제안하며, 계산 복잡도를 감소시키기 위해 가우시안 근사 기법을 사용한다.
• 주파수 도메인에서 간섭 항목들을 정렬함으로써 İCI 및 İSI를 제거하기 위해 위상 이동을 구현한다.
• 채널 상태 정보를 전부 확보하지 않아도 되도록, 가장 큰 간섭 항목들만 추적함으로써 İDI를 효율적으로 제거하기 위해 MP 알고리즘을 적응시킨다.
• 지연-도플러 채널의 희박성을 활용하는 반복적 검출 프레임워크에 MP 알고리즘을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이상적인 이양성 파형과 실용적인 직사각형 파형 간의 다른 펄스 shaping 파형이 OTFS 시스템의 간섭 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 직사각형 파형을 사용할 경우 OTFS에서 지배적인 간섭 유형(İCI, İSI, İDI)은 무엇이며, 이상적 파형 사례와는 어떻게 다를까?
• RQ3 저복잡도 메시지 전파 알고리즘이 OTFS에서 다중 간섭 유형(İCI, İSI, İDI)을 효과적으로 제거하면서도 높은 스펙트럼 효율성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 실용적인 직사각형 파형을 사용하는 OTFS가 얼마나 이상적인 실현 불가능한 펄스 shaping 파형을 사용하는 OTFS의 성능에 도달할 수 있는가?
• RQ5 제안된 MP 기반의 공동 검출 및 간섭 제거 기법이 다양한 도플러 스프레드 및 채널 조건에서 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 실용적인 직사각형 파형을 사용하는 OTFS는 İCI 및 İSI가 존재하더라도 이상적인 실현 불가능한 펄스 shaping 파형을 사용하는 OTFS와 유사한 오류 성능을 달성한다.
• 제안된 메시지 전파 알고리즘이 위상 이동을 통해 İCI 및 İSI를 성공적으로 제거하고, 가장 큰 간섭 항목들에 집중함으로써 İDI를 제거한다.
• 알고리즘은 도플러 스프레드의 넓은 범위에서 강건성을 유지하며, 가우시안 근사와 희박성 활용 덕분에 낮은 복잡도를 유지를 한다.
• 시뮬레이션 결과, 고속 상황을 포함한 다양한 지연-도플러 채널 조건에서 비코드 OTFS가 OFDM보다 뚜렷한 오류 성능 향상을 보였다.
• 지연-도플러 도메인에서 유도된 입력-출력 모델은 직사각형 파형이 이양성의 손실로 인해 İCI 및 İSI를 유발하는 반면, 이상적인 경우에도 분수 도플러 효과로 인해 İDI가 지속됨을 확인한다.
• 이론적 분석과 시뮬레이션은 MP 알고리즘이 효율적으로 수렴하며, 전통적인 검출 방법에 비해 계산 부하를 줄이고 근사 최적 성능을 제공함을 검증한다.