[论文解读] Multiple Access in the Delay-Doppler Domain using OTFS modulation

G. D. Surabhi, Rose Mary Augustine+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2019

PAPR reduction in OFDM参考文献 16被引用 12

一句话总结

该论文提出了一种基于OTFS的多址接入（OTFS-MA），在高速移动上行场景中为用户分配时延-多普勒资源块（DDRBs）。通过在时延、多普勒或时延-多普勒网格的空域子集中复用用户，OTFS-MA在误码率（BER）性能上优于OFDMA和SC-FDMA，尤其在采用消息传递检测和导频辅助信道估计、接近完美信道知识的情况下表现更优。

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is a recent modulation scheme designed in the delay-Doppler domain. It has been shown to achieve superior performance compared to conventional multicarrier modulation schemes designed in the time-frequency domain. In this paper, we consider OTFS based multiple access (OTFS-MA), where delay-Doppler bins serve as the resource blocks for multiple access. Different delay-Doppler resource blocks (DDRBs) in the delay-Doppler grid are allocated to different users for multiple access. We consider three different DDRB allocation schemes. While Scheme 1 multiplexes the users along the delay axis, Scheme 2 multiplexes them along the Doppler axis. In both these schemes, each user's signal spans the entire time-frequency plane. Scheme 3 allocates the DDRBs in such a way that each user's signal is limited to span only over a subset of the time-frequency plane. We study the performance of OTFS-MA in high mobility environments on the uplink and compare it with those of OFDMA and SC-FDMA. Our results show that OTFS-MA (with maximum-likelihood detection in small dimension systems and with a message passing based detection in large dimension systems) achieves better performance compared to OFDMA and SC-FDMA. We also present the performance of a multiuser channel estimation scheme using pilot symbols placed in the delay-Doppler grid.

研究动机与目标

• 通过正交时频空（OTFS）调制方案，在高速移动无线信道中实现高效的多用户接入。
• 解决传统OFDMA和SC-FDMA在具有高多普勒扩展的双重选择性衰落信道中的局限性。
• 设计并评估三种DDRB分配方案（时延复用、多普勒复用和空域受限）在OTFS-MA中的性能。
• 在上行OTFS-MA中，开发并验证基于导频的时延-多普勒域信道估计方案。
• 在真实高速移动条件下，比较OTFS-MA与OFDMA和SC-FDMA的误码率（BER）性能。

提出的方法

• OTFS-MA使用时延-多普勒域作为二维资源网格，其中DDRBs作为用户复用的正交资源块。
• 提出三种DDRB分配方案：方案1（沿时延复用用户）、方案2（沿多普勒复用用户）和方案3（时频平面的空域受限子集）。
• 在小规模系统中使用最大似然（ML）检测，而在大规模系统中采用消息传递（MP）检测以降低复杂度。
• 导频符号在时延-多普勒网格中表示为狄拉克脉冲，通过保护区防止因信道扩展导致的干扰，通过与信道冲激响应的二维卷积进行建模。
• 信道估计通过接收的导频信号进行，估计的信道为真实信道响应的循环移位版本，以考虑分数多普勒效应。
• 性能通过瑞利衰落信道下的误码率（BER）进行评估，采用指数型功率时延轮廓和雅克斯多普勒谱，通过调节导频信噪比（SNR）来评估估计精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 与OFDMA和SC-FDMA相比，OTFS-MA在高速移动上行场景中的性能如何？
• RQ2 不同的DDRB分配方案（时延、多普勒或空域受限）对OTFS-MA的BER性能有何影响？
• RQ3 在OTFS-MA中，基于导频的时延-多普勒域信道估计能否实现接近完美的信道知识？
• RQ4 在大规模OTFS-MA系统中，消息传递检测与最大似然检测在BER性能和复杂度方面有何比较？
• RQ5 何种导频SNR阈值可确保信道估计误差不会显著劣化OTFS-MA的BER性能？

主要发现

• 在高速移动环境中，采用消息传递检测的OTFS-MA在高信噪比（SNR）下，误码率（BER）性能优于OFDMA和SC-FDMA。
• 在小规模系统中，采用最大似然检测的OTFS-MA优于OFDMA和SC-FDMA，证明了OTFS在双重选择性信道中的鲁棒性。
• 当导频SNR高于36 dB时，信道估计的归一化均方误差（MSE）低于0.01，表明估计精度很高。
• 在导频SNR为40 dB和50 dB时，使用估计信道的BER性能与完美信道知识相比仅劣化约1 dB，证实了所提基于导频估计方法的有效性。
• 导频放置方案通过确保每个用户在多普勒域中至少间隔max(αu,i)的距离，实现无干扰接收，满足保护区要求。
• 方案3将每个用户的信号限制在时频平面的一个子集内，如文献[16]所分析，可实现更高的和速率，并提升频谱效率。