[論文レビュー] Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) Modulation Based Radar System

P. Raviteja, Khoa T. Phan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2019

PAPR reduction in OFDM参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、高動的移動体の距離および速度推定を安定的に行える、OTFSに基づくマッチドフィルタアルゴリズムを提案する。OTFSの子搬送波干渉（ICI）なしの伝送および短縮されたサイクリックプロキシ（CP）を活用することで、従来のOFDMベースのレーダーと比較して、より長い検出距離、より速いトラッキングレート、および全サブキャリア間隔に達するドップラー推定を実現し、高ドップラー環境下でも優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation was proposed to tackle the destructive Doppler effects in wireless communications, with potential applications to many other areas. In this paper, we investigate its application to radar systems, and propose a novel efficient OTFS-based matched filter algorithm for target range and velocity estimation. The proposed algorithm not only exhibits the inherent advantages due to multi-carrier modulation of the existing orthogonal frequency division multiplexing (OFDM-) based radar algorithms but also provides additional benefits to improve radar capability. Similar to OFDM, OTFS spreads the transmitted signal in the entire time--frequency resources to exploit the full diversity gains for radar processing. However, OTFS requires less cyclic prefix, and hence, shorter transmission duration than OFDM, allowing longer range radar and/or faster target tracking rate. Additionally, unlike OFDM, OTFS is inter-carrier interference-free, enabling larger Doppler frequency estimation. We demonstrate the performance of the proposed algorithm using numerical results under different system settings.

研究の動機と目的

• OFDMベースのレーダーが高動的移動環境において抱える限界、特にドップラー耐性の欠如と子搬送波干渉（ICI）の問題を解決すること。
• OTFS変調をレーダーシステムに適用する可能性と利点を検討し、より優れたターゲット検出を実現すること。
• OTFSの時間周波数リソースをフルに活用する効率的なマッチドフィルタアルゴリズムを開発し、レーダー処理におけるダイバーシティゲインの向上を図ること。
• OTFSがOFDMベースのレーダーと比較して、より大きなドップラー周波数推定と長距離検出を可能にすることを実証すること。

提案手法

• 提案手法は、レーダー処理のために全OTFSフレームを占めるランダムで等パワーのデータシンボルを用いる。パイロットシンボルの必要性が不要になる。
• 送信側でマッチドフィルタを適用し、受信信号を既知の送信波形と遅延-ドップラー領域で相関させることで、ターゲットパラメータを推定する。
• 信号モデルは、OTFSの2次元直交基底関数を用いて送信シンボルを遅延-ドップラー領域にマッピングし、時間と周波数にわたるコherent処理を可能にする。
• アルゴリズムは、遅延-ドップラー領域におけるOTFSの固有の直交性を活用し、高ドップラーシフト下でも信号整合性を維持する。
• OFDMと比較してサイクリックプロキシのオーバーヘッドを低減し、伝送時間の短縮と、範囲およびトラッキング性能の向上を実現する。
• 理論的分析により、マッチドフィルタ出力行列の平均と分散を導出。高SNR下で非対角項が性能を制限することが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OTFS変調は、高動的移動環境下でのターゲット検出向上を実現するために、レーダーシステムに効果的に適用可能か？
• RQ2 ドップラー周波数推定能力に関して、OTFSベースのレーダーはOFDMベースのレーダーと比較してどのように異なるか？
• RQ3 短縮されたサイクリックプロキシと時間周波数リソースのフル活用により、OTFSを用いることで範囲およびトラッキングレートにどの程度の性能向上が得られるか？
• RQ4 高SNR下でOTFSレーダーのマッチドフィルタ出力がどの程度まで飽和し、その飽和の限界は何か？
• RQ5 OTFSの子搬送波干渉フリー特性により、OFDMよりも高いドップラーシフトの検出が可能になるか？

主な発見

• OTFSベースのレーダーは、サブキャリア間隔Δfの全範囲までドップラー周波数推定が可能である一方、OFDMは約10%Δfに制限される。
• 提案されたアルゴリズムにより、サイクリックプロキシの短縮により伝送時間の短縮と有効信号エネルギーの増加が実現され、長距離レーダー動作が可能になる。
• マッチドフィルタ出力は、高SNR下で1/MNの画像SNR飽和を示す。これは相関行列の非対角項に起因する。
• 信号を時間周波数グリッド全体に分散させることで、完全なダイバーシティゲインを維持し、処理ゲインを向上させる。
• 数値結果により、OTFSベースのレーダーが高精度な速度および長距離ターゲット検出において、OFDMベースのレーダーを上回ることが確認された。
• 理論的分析により、マッチドフィルタ出力の非対角要素はゼロ平均であり、分散はMNP_s^2 + F_{i,j}であることが示された。ここでF_{i,j} = 0である。これは、i.i.d.シンボル仮定と対称条件によるものである。