[论文解读] MIMO-OTFS in High-Doppler Fading Channels: Signal Detection and Channel Estimation

M. Kollengode Ramachandran, A. Chockalingam|ePrints@IISc (Indian Institute of Science)|May 6, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 16被引用 24

一句话总结

本文提出了一种用于MIMO-OTFS信号检测的低复杂度消息传递算法，以及一种在高速多普勒衰落信道中使用导频脉冲的时延-多普勒域信道估计算法。结果表明，在14 dB SNR条件下（2×2系统，1880 Hz多普勒），MIMO-OTFS可实现10⁻⁵的误码率（BER），优于MIMO-OFDM，后者在相同条件下误码率趋于0.02的地板值。

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is a recently introduced multiplexing technique designed in the 2-dimensional (2D) delay-Doppler domain suited for high-Doppler fading channels. OTFS converts a doubly-dispersive channel into an almost non-fading channel in the delay-Doppler domain through a series of 2D transformations. In this paper, we focus on MIMO-OTFS which brings in the high spectral and energy efficiency benefits of MIMO and the robustness of OTFS in high-Doppler fading channels. The OTFS channel-symbol coupling and the sparse delay-Doppler channel impulse response enable efficient MIMO channel estimation in high Doppler environments. We present an iterative algorithm for signal detection based on message passing and a channel estimation scheme in the delay-Doppler domain suited for MIMO-OTFS. The proposed channel estimation scheme uses impulses in the delay-Doppler domain as pilots for estimation. We also compare the performance of MIMO-OTFS with that of MIMO-OFDM under high Doppler scenarios.

研究动机与目标

• 解决高速移动无线信道中载波间干扰（ICI）和符号间干扰（ISI）的挑战，特别是在速度超过500 km/h的场景下。
• 通过利用OTFS调制在二维时延-多普勒域的复用特性，克服传统MIMO-OFDM在高速多普勒环境下的性能崩溃问题。
• 开发一种高效、低复杂度的MIMO-OTFS信号检测算法，使其在快速变化的信道条件下仍能保持良好性能。
• 提出一种新颖的时延-多普勒域信道估计算法，利用稀疏导频脉冲实现对MIMO信道响应的精确、并行估计。
• 通过对比误码率分析，证明MIMO-OTFS在高速多普勒场景下显著优于MIMO-OFDM。

提出的方法

• 在时延-多普勒域中建立MIMO-OTFS系统的向量化输入-输出模型，以数学方式处理信道与符号之间的耦合关系。
• 实现一种迭代消息传递检测算法，利用OTFS信道的二维周期卷积结构以降低计算复杂度。
• 设计一种信道估计算法，使用时延-多普勒域中的离散脉冲作为导频，实现稀疏且非重叠的导频传输。
• 通过利用时延-多普勒信道在观测间隔内保持时不变的特性，估计等效MIMO-OTFS信道矩阵。
• 利用二维卷积特性，确保导频信号在接收端保持可分离，从而实现对所有发射-接收天线对的并行估计。
• 将估计得到的信道矩阵应用于消息传递检测算法，以评估在实际信道估计条件下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MIMO-OFDM因严重ICI而失效的高速多普勒环境中，MIMO-OTFS能否实现可靠的通信？
• RQ2 在多普勒扩展增加的情况下，特别是1880 Hz（500 km/h）时，MIMO-OTFS中消息传递检测的性能如何变化？
• RQ3 使用导频脉冲的时延-多普勒域信道估计算法能否在高速移动场景中实现接近完美的估计精度？
• RQ4 MIMO-OTFS在使用所提出的基于导频的方法进行信道估计时，其性能与理想信道知识条件下的性能差距有多大？
• RQ5 时延-多普勒信道响应的稀疏性与时不变性是否使其相比时频域估计方法更简单、更精确？

主要发现

• 在2×2 MIMO-OTFS系统中，多普勒频率为1880 Hz时，消息传递检测算法在14 dB SNR下实现了10⁻⁵的误码率。
• 在相同高速多普勒条件下，MIMO-OFDM的性能趋于0.02的误码率地板值，充分体现了MIMO-OTFS的显著性能优势。
• 所提出的时延-多普勒域信道估计算法在13 dB SNR下实现了2×10⁻⁵的误码率，仅比理想信道知识所需的12.5 dB高出0.5 dB。
• 随着导频SNR的提高，信道估计误差的Frobenius范数减小，证实了该估计算法的可靠性。
• 在时延-多普勒域中以足够间隔传输的导频信号在接收端保持非重叠，从而实现了对所有MIMO信道状态的并行且精确的估计。
• 时延-多普勒信道在观测间隔内保持时不变的特性，使其能够实现高效且精确的估计，而时频域估计则因信道快速变化而性能下降。