[论文解读] A New Path Division Multiple Access for the Massive MIMO-OTFS Networks

Muye Li, Shun Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2020

PAPR reduction in OFDM参考文献 36被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种新型的路径分隔多址接入（PDMA）方案，用于高速移动场景下的大规模MIMO-OTFS系统，利用三维角度-延迟-Doppler域资源分配。通过使用三维牛顿化正交匹配追踪（3D-NOMP）算法提取信道参数，并采用路径调度算法避免干扰，该方案实现了低复杂度波束成形下的无干扰上行链路与下行链路通信，仿真结果验证了其在高速移动和信噪比（SNR）变化下的鲁棒性能。

ABSTRACT

This paper focuses on a new path division multiple access (PDMA) for both uplink (UL) and downlink (DL) massive multiple-input multiple-output network over a high mobility scenario, where the orthogonal time frequency space (OTFS) is adopted. First, the 3D UL channel model and the received signal model in the angle-delay-Doppler domain are studied. Secondly, the 3D-Newtonized orthogonal matching pursuit algorithm is utilized for the extraction of the UL channel parameters, including channel gains, directions of arrival, delays, and Doppler frequencies, over the antenna-time-frequency domain. Thirdly, we carefully analyze energy dispersion and power leakage of the 3D angle-delay-Doppler channels. Then, along UL, we design a path scheduling algorithm to properly assign angle-domain resources at user sides and to assure that the observation regions for different users do not overlap over the 3D cubic area, i.e., angle-delay-Doppler domain. After scheduling, different users can map their respective data to the scheduled delay-Doppler domain grids, and simultaneously send the data to base station (BS) without inter-user interference in the same OTFS block. Correspondingly, the signals at desired grids within the 3D resource space of BS are separately collected to implement the 3D channel estimation and maximal ratio combining-based data detection over the angle-delay-Doppler domain. Then, we construct a low complexity beamforming scheme over the angle-delay-Domain domain to achieve inter-user interference free DL communication. Simulation results are provided to demonstrate the validity of our proposed unified UL/DL PDMA scheme.

研究动机与目标

• 解决高速移动大规模MIMO-OTFS网络中精确信道估计与干扰管理的挑战。
• 建模并表征上行链路与下行链路传输的三维角度-延迟-Doppler信道响应。
• 设计一种路径调度算法，确保在三维延迟-Doppler域中用户间角度域资源不重叠。
• 通过利用三维信道域中的稀疏性，实现无干扰的上行链路与下行链路通信。
• 基于三维信道估计，设计一种低复杂度波束成形方案用于下行链路传输。

提出的方法

• 采用三维牛顿化正交匹配追踪（3D-NOMP）算法，提取角度-延迟-Doppler域中的信道参数，包括信道增益、到达方向、时延和Doppler频移。
• 提出一种路径调度算法，用于在三维立方体资源空间（角度、时延、Doppler）中分配非重叠的观测区域，确保上行链路传输期间无用户间干扰。
• 用户将其数据映射到OTFS块中已调度的延迟-Doppler网格，实现无干扰的同时传输。
• 在基站端，分别收集目标三维网格上的信号，用于三维信道估计与基于最大比率合并（MRC）的数据检测。
• 在角度-延迟-Doppler域中构建一种低复杂度波束成形方案，以抑制下行链路传输中的用户间干扰。
• 对三维信道中的能量展宽与功率泄漏进行理论分析，以指导资源分配与系统设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高速移动的大规模MIMO-OTFS系统中，如何高效提取三维信道参数（角度、时延、Doppler）？
• RQ2 能量展宽与功率泄漏对角度-延迟-Doppler域中三维信道估计与资源分配有何影响？
• RQ3 如何设计路径调度，以确保用户在三维资源空间中观测区域不重叠？
• RQ4 能否通过OTFS系统中基于三维资源分配实现无干扰的上行链路与下行链路通信？
• RQ5 在高速移动与不同SNR条件下，所提出的PDMA方案的性能增益如何？

主要发现

• 3D-NOMP算法在角度-延迟-Doppler域中成功实现了高精度的信道参数提取，支持精确的三维信道估计。
• 路径调度算法确保了用户在三维立方体资源空间中的观测区域不重叠，消除了同一OTFS块内用户间的干扰。
• 仿真结果表明，稀疏调度的数据块在上行链路数据检测中比密集分布的块具有更低的均方误差（MSE），这是由于减少了功率泄漏。
• 在下行链路中，MSE在高SNR下趋于收敛，但若信道估计存在失配，则MSE仍显著偏高，凸显了精确三维信道获取的重要性。
• 所提出的低复杂度波束成形方案通过利用三维信道稀疏性与空间复用，实现了无干扰的下行链路通信。
• 统一的PDMA方案在不同用户速度与SNR水平下均表现出鲁棒性能，验证了其在高速移动场景中的有效性。