[论文解读] Channel Estimation and Equalization for CP-OFDM-based OTFS in Fractional Doppler Channels

Noriyuki Hashimoto, Noboru Osawa+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

PAPR reduction in OFDM参考文献 12被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种针对分数多普勒信道中基于循环前缀-正交频 division multiplexing（CP-OFDM）的轨道-频分复用（OTFS）系统的低复杂度信道估计与均衡方法，通过在时延-多普勒域中利用导频响应的互相关特性，将输入-输出关系建模为带有小近似的二维循环卷积。该方法在估计精度上优于基于PN序列的估计方法，计算负载更低，且均衡性能接近采用矩阵求逆的最小均方误差（MMSE）方法。

ABSTRACT

Orthogonal time frequency and space (OTFS) modulation is a promising technology that satisfies high Doppler requirements for future mobile systems. OTFS modulation encodes information symbols and pilot symbols into the two-dimensional (2D) delay-Doppler (DD) domain. The received symbols suffer from inter-Doppler interference (IDI) in the fading channels with fractional Doppler shifts that are sampled at noninteger indices in the DD domain. IDI has been treated as an unavoidable effect because the fractional Doppler shifts cannot be obtained directly from the received pilot symbols. In this paper, we provide a solution to channel estimation for fractional Doppler channels. The proposed estimation provides new insight into the OTFS input-output relation in the DD domain as a 2D circular convolution with a small approximation. According to the input-output relation, we also provide a low-complexity channel equalization method using the estimated channel information. We demonstrate the error performance of the proposed channel estimation and equalization in several channels by simulations. The simulation results show that in high-mobility environments, the total system utilizing the proposed methods outperforms orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with ideal channel estimation and a conventional channel estimation method using a pseudo sequence.

研究动机与目标

• 解决在高速移动环境中因分数多普勒偏移导致的轨道-频分复用（OTFS）系统中多普勒间干扰（IDI）的问题。
• 降低在分数多普勒条件下OTFS系统信道估计的计算复杂度，避免基于PN序列方法带来的高计算负载。
• 基于时延-多普勒域中的新型输入-输出模型，提出一种低复杂度均衡方法。
• 提升在无人机（UAVs）或低地球轨道（LEO）卫星等高多普勒信道中的估计精度与系统性能。
• 为实际高速移动场景中OTFS应用提供实用解决方案，其中整数索引多普勒采样已不足以满足需求。

提出的方法

• 提出一种基于互相关特性的信道估计算法，利用时延-多普勒（DD）域中的导频响应来估计分数多普勒偏移。
• 基于一般信道特性，将OTFS在时延-多普勒域中的输入-输出关系建模为带有小近似的二维循环卷积。
• 利用估计得到的信道响应，基于卷积型输入-输出模型设计一种低复杂度均衡方法。
• 通过向量化与取模运算，高效处理二维循环卷积结构的计算。
• 采用逐次路径估计方法并设置停止准则，以在性能与计算负载之间取得平衡。
• 将所提方法与基于PN序列的估计方法及采用矩阵求逆的MMSE均衡器进行性能与复杂度对比评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 在传统导频方法无法捕捉非整数多普勒索引的分数多普勒信道中，如何改进OTFS的信道估计？
• RQ2 将OTFS输入-输出关系近似为二维循环卷积，对估计与均衡性能有何影响？
• RQ3 基于互相关的估计方法是否能以显著更低的计算复杂度，实现优于基于PN序列的估计方法的估计精度？
• RQ4 所提均衡方法在性能与复杂度方面与采用矩阵求逆的MMSE均衡器相比如何？
• RQ5 所提方法在高速移动环境中对多普勒间干扰（IDI）的抑制程度如何？

主要发现

• 所提信道估计方法的块错误率（BLER）显著低于基于PN序列的方法，且误码平台更低，表明估计精度更高。
• 所提信道估计的计算负载远低于基于PN序列的方法，其复杂度为 O(ˆPNCPνmax/ΔfDN2(M+NCP))，其中 ˆP 为估计的路径数。
• 所提均衡方法的BLER性能与采用矩阵求逆的MMSE均衡器非常接近，仅因二维卷积近似存在微小性能差距。
• 仿真结果表明，在高速环境（500 km/h）下，采用所提方法的OTFS性能优于理想信道状态信息下的OFDM系统，表现出对多普勒偏移的强鲁棒性。
• 即使在低分辨率分数多普勒估计（D=10）条件下，所提方法仍保持高性能，表明其对分辨率限制具有鲁棒性。
• 将输入-输出模型近似为带有小误差的二维循环卷积，可在保持接近最优性能的同时，实现高效的低复杂度均衡。