[论文解读] A Simple Two-stage Equalizer With Simplified Orthogonal Time Frequency Space Modulation Over Rapidly Time-varying Channels

Li Li, Wei Hua+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2017

PAPR reduction in OFDM参考文献 5被引用 56

一句话总结

本文推导出用于 OTFS 的等效延迟-多普勒通道矩阵，使得实现一个简单的两阶段均衡器（频域单点均衡器 + 延迟-多普勒域均衡器）在高多普勒场景下相比基于 OFDM 的方法具有更佳 BER。

ABSTRACT

In this work, we derive a equivalent delay-Doppler channel matrix of the Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) modulation that has not been studied in previous literature. It has the similar structure as the banded channel matrix of OFDM systems over rapidly time-varying channels. However, the band in the equivalent channel matrix will no longer spread with the increase of the Doppler spread once the length of maximum channel delay spread and the OTFS frame duration are deter- mined. Furthermore, the equivalent channel matrix can simplify the OTFS modulation in the transmitter side. Incorporating the equivalent channel matrix, we propose a simple two-stage equal- izer in 1 dimensional operations for OTFS modulation. First, the receive signal is equalized using the conventional OFDM single- tap equalizer in the frequency domain. The multipath effects can be removed. In the second stage, another low complexity delay- Doppler domain equalizer is employed to eliminate the effects of the residual interference caused by the Doppler spread with the equivalent channel matrix. The simulation results demonstrate that the proposed method is superior to the conventional single- tap equalizer and full minimum mean squared error (MMSE) equalizer of OFDM systems in terms of BER in high Doppler spread scenarios.

研究动机与目标

• 推导出用于 OTFS 的等效延迟-多普勒通道矩阵，以理解延迟扩展和多普勒扩展如何影响 OTFS。
• 提出一个利用等效通道以降低复杂度的两阶段均衡器来抑制多径和多普勒效应。
• 证明所提方法在高多普勒情形下的 BER 相对于 OFDM 基线具有有利的性能。

提出的方法

• 将 OTFS 发送端操作向量化，以在延迟-多普勒域中获得等效通道矩阵 H_eq。
• 提出一个两阶段均衡器：阶段1 使用常规 OFDM 频域单点均衡器；阶段2 使用延迟-多普勒域均衡器以消除残留干扰。
• 使用重排矩阵 Xi 与多次 FFT/IFFT 运算来简化发送端处理。
• 阶段2 采用基于 H_eq 自相关性的干扰消除方法以及裁剪/量化步骤来细化估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 OTFS 等效延迟-多普勒通道矩阵的结构是什么，它如何依赖于延迟扩展和多普勒扩展？
• RQ2 在高多普勒条件下，低复杂度的两阶段均衡器（FDE 加 DDE）是否能在 BER 上优于单点 OFDM 均衡器和完整 MMSE OTFS？
• RQ3 如何使用推导出的等效通道矩阵简化 OTFS 的发送端/接收端处理？
• RQ4 在快速时变信道下，所提方法相对于基于 OFDM 的方案的 BER 性能如何？

主要发现

• 在最大延迟扩展和帧持续时间固定后，存在一个带宽固定、不随多普勒扩展扩展的等效 OTFS 通道矩阵。
• 一个两阶段均衡器，其中第一阶段是频域单点均衡器，第二阶段是延迟-多普勒域均衡器，用于去除残留的多普勒诱导干扰。
• 所提的 FDE 和 FDE+DDE 在高多普勒情景下的 BER 优于传统 OFDM 单点均衡和全 MMSE 接收器，且复杂度与 OFDM 单点相当。
• 在极高多普勒下，完整的 OTFS MMSE 可能优于所提方法，但由于带状矩阵求逆带来更高的硬件复杂性。