[论文解读] Iterative Detection for Orthogonal Time Frequency Space Modulation Using Approximate Message Passing with Unitary Transformation.

Zhengdao Yuan, Fei Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2020

PAPR reduction in OFDM被引用 13

一句话总结

该论文提出了一种基于酉变换的近似消息传递（UTAMP）检测器，用于正交时频空间（OTFS）调制，利用信道矩阵的块循环结构，将复杂度降低至与OTFS块长对数相关的阶数。该方法结合了噪声方差估计，在具有大或多普勒频移的高速移动场景中，性能优于现有最先进检测器。

ABSTRACT

The orthogonal time frequency space (OTFS) modulation has emerged as a promising modulation scheme for high mobility wireless communications. To harvest the time and frequency diversity promised by OTFS, some promising detectors, especially message passing based ones, have been developed by taking advantage of the sparsity of the channel in the delay-Doppler domain. However, when the number of channel paths is relatively large or fractional Doppler shift has to be considered, the complexity of existing detectors is a concern, and the message passing based detectors may suffer from performance loss due to the short loops involved in message passing. In this work, we investigate the design of OTFS detectors based on the approximate message passing (AMP) algorithm. In particular, AMP with unitary transformation (UTAMP) based detectors are developed, which enjoy the structure of the channel matrix and allow efficient implementation, e.g., by exploiting the property of block circulant matrix with circulant block (BCCB), the complexity of the UTAMP-based detector per symbol is in the order of the logarithm of OTFS block length. In addition, the estimation of noise variance is incorporated into the UTAMP-based detectors (while existing detectors assume perfect noise variance). Thanks to the robustness of UTAMP relative to AMP, the UTAMP-based detectors are able to deliver much better performance, and outperform state-of-the-art detectors significantly. The investigations are also extended to iterative joint detection and decoding in a coded OTFS system, where the OTFS detectors are integrated into a powerful turbo receiver, leading to a considerable performance gain.

研究动机与目标

• 解决在存在大或分数多普勒频移时，现有基于消息传递的OTFS检测器计算复杂度过高的问题。
• 克服由于迭代检测中存在短环路而导致的消息传递检测器性能下降问题。
• 开发一种低复杂度、鲁棒的检测框架，以利用OTFS信道矩阵的结构特性。
• 将噪声方差估计集成到检测过程中，以提升鲁棒性，而无需假设噪声知识完全准确。
• 将检测器扩展至编码OTFS系统中的迭代联合检测与译码，以进一步提升性能。

提出的方法

• 通过应用酉变换，将近似消息传递（AMP）算法适配于OTFS检测，以利用信道矩阵的块循环块（BCCB）结构。
• 利用BCCB特性实现高效的矩阵-向量乘法，将每符号的复杂度降低至与OTFS块长对数相关的阶数。
• 在UTAMP框架内集成噪声方差估计，以增强对噪声知识不准确的鲁棒性。
• 通过将基于UTAMP的检测器集成到Turbo接收器框架中，设计一种迭代联合检测与译码架构。
• 利用信道矩阵的结构特性，实现基于快速傅里叶变换（FFT）的操作，最大限度减少计算开销。
• 通过酉变换对信道矩阵进行条件化处理，确保收敛性和稳定性，从而提升AMP对病态条件的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在保持或提升性能的同时，显著降低基于消息传递的OTFS检测器的复杂度？
• RQ2 在实际场景中，引入噪声方差估计如何影响OTFS检测的鲁棒性和准确性？
• RQ3 在具有大或多普勒频移的高速移动环境中，UTAMP框架相较于传统AMP和现有最先进检测器的性能优势有多大？
• RQ4 OTFS信道矩阵的结构特性（如BCCB）能否被有效利用以实现低复杂度检测？
• RQ5 将基于UTAMP的检测器集成到迭代联合检测与译码（Turbo）接收器中，可实现多大的性能增益？

主要发现

• 基于UTAMP的检测器实现了与OTFS块长对数相关的每符号复杂度，显著降低了计算负载。
• 与现有最先进方法相比，该检测器在具有高或分数多普勒频移的场景中表现出更优的性能。
• 引入噪声方差估计增强了鲁棒性，即使在噪声功率不完全已知的情况下也能实现可靠检测。
• 使用酉变换改善了AMP算法的稳定性和收敛性，缓解了短环路导致的性能损失。
• 在迭代联合检测与译码中，基于UTAMP的Turbo接收器相较于传统检测方案实现了显著的性能增益。
• 该方法保持了高精度和低时延，适用于高速移动无线通信系统。