[論文レビュー] Orthogonal Delay-Doppler Division Multiplexing Modulation

Hai Lin, Jinhong Yuan|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2022

PAPR reduction in OFDM被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、6Gハイモビリティシステムにおける二重選択的チャネル向けに設計された、新しい多載波変復調方式である直交遅延ドップラー分割多重（ODDM）を提案する。遅延ドップラー（DD）平面の微細解像度に対して直交するパルスを構築することにより、ODDMは完全な信号-チャネル結合を実現し、OTFSより周波数側band外放射およびビット誤り率性能に優れるブロック巡回型チャネル行列をもたらす。

ABSTRACT

Inspired by the orthogonal time frequency space (OTFS) modulation, in this paper, we consider designing a multicarrier (MC) modulation on delay-Doppler (DD) plane, to couple the modulated signal with a doubly-selective channel having DD resolutions. A key challenge for the design of DD plane MC modulation is to investigate whether a realizable pulse orthogonal with respect to the DD plane's fine resolutions exists or not. To this end, we first indicate that a feasible DD plane MC modulation is essentially a type of staggered multitone modulation. Then, analogous to orthogonal frequency division multiplexing, we propose an orthogonal delay-Doppler division multiplexing (ODDM) modulation, and design the corresponding transmit pulse. Furthermore, we prove that the proposed transmit pulse is orthogonal with respect to the DD plane's resolutions and therefore a realizable DD plane orthogonal pulse does exist. The orthogonality of this particular pulse significantly eases the derivation of the ODDM's DD domain channel input-output relation, and yields a channel matrix with an elegant block-circulant-like structure. We demonstrate that the ODDM outperforms the OTFS in terms of out-of-band emission and bit error rate, by achieving perfect coupling between the modulated signal and the DD channel.

研究の動機と目的

• 二重選択的 fading チャネルにおける遅延ドップラー（DD）平面における実現可能で直交するパルスの設計という課題に対処すること。
• 時間周波数領域におけるOFDMに類似した、送信信号とDDドメインチャネルとの完全な結合を実現する変復調方式を開発すること。
• DD平面の微細解像度に対して直交するパルスが存在し、実用的に実装可能であることを示すこと。
• 提案されたODDM変復調が、構造化されたブロック巡回型チャネル行列をもたらし、信号検出および等化を簡素化できることを示すこと。
• スペクトル効率および誤り性能の観点から、ODDMをOTFSと比較すること、特にハイモビリティ環境における性能を評価すること。

提案手法

• 本稿は、実現可能なDD平面多載波変復調が本質的にスケジュールドマルチトーン変復調であることを特定し、体系的な設計を可能にする。
• 時間周波数領域におけるOFDMに類似したが、DDドメインにおける新しい変復調フォーマットとして直交遅延ドップラー分割多重（ODDM）を提案する。
• 送信パルスを、[-QT/M, QT/M] のサポートを持つ時間制限付き、実数値の平方根ニキスト脈絡パルスとして設計し、DD平面の解像度グリッドに対して直交性を確保する。
• アンビグアティ関数を用いて直交性を厳密に証明し、パルスのクロスアンビグアティ応答がすべての非ゼロ時間-ドップラーシフトに対して消えることを示す。
• DDドメインにおけるチャネル入出力モデルを導出すると、パルスの直交性のおかげでブロック巡回型の構造を有する。
• 近似手法を用いて、パルスの時間領域波形が理想化された形とほとんど差がないことを示し、誤差は無視できるほど小さい。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多載波変復調のための、DD平面の微細解像度に対して直交する実現可能な直交パルスは存在するか？
• RQ2 信号がDDドメインの二重選択的チャネルに完全に結合されるような変復調方式は設計可能か？
• RQ3 ODDMはOTFSと比較して、周波数側band外放射およびビット誤り率性能においてどのように異なるか？
• RQ4 直交パルスを用いた場合、DDドメインにおけるチャネル行列にどのような構造的性質が現れるか？
• RQ5 提案されたパルスは、時間領域で無視できる近似誤差で実用的に実装可能か？

主な発見

• DD平面用の実現可能で直交するパルスが存在し、[-QT/M, QT/M] のサポートを持つ時間制限付き、実数値の平方根ニキストパルスとして構築可能である。
• 提案されたODDM変復調は、信号とDDドメインチャネルとの完全な結合を実現し、構造化されたブロック巡回型チャネル行列をもたらす。
• 送信パルスの直交性により、DDドメインにおける符号間干渉およびサブキャリア間干渉が排除され、検出が簡素化される。
• ODDMパルスの時間領域波形における近似誤差は、エナベループの減衰およびパルスサポート内での小さな位相変動のおかげで無視できるほど小さい。
• 特に二重選択的チャネルを有するハイモビリティ環境において、ODDMは周波数側band外放射およびビット誤り率の両面でOTFSを上回る。
• DDドメインにおける導出されたチャネルモデルはブロック巡回型の構造を示し、効率的な等化および低複雑度信号処理を可能にする。