[论文解读] Channel Estimation for MIMO Space Time Coded OTFS under Doubly Selective Channels

Roberto Bomfin, Marwa Chafii+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2021

PAPR reduction in OFDM参考文献 22被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种基于独特字词（UW）的MIMO空时编码OTFS系统在双重选择性衰落信道下的信道估计算法，利用循环时延分集（CDD）进行导频传输，并实现每根发射天线的独立估计。主要贡献在于证明了在高阶调制和高码率条件下，OTFS在帧错误率（FER）方面显著优于OFDM，即使在4×4 MIMO系统中采用64-QAM且FER为10⁻³时，仍具有2 dB的增益。

ABSTRACT

In this paper, we present a unique word (UW)-based channel estimation approach for multiple-input multiple-output (MIMO) systems under doubly dispersive channels, which is applied to orthogonal time frequency space (OTFS) with space time coding (STC). The OTFS modulation has been recently proposed as a robust technique under time varying channels due to its property of spreading the data symbols over time and frequency. Yet another relevant aspect is the employment of multiple antennas at the transmitter and receiver. Therefore, we consider an STC MIMO system with cyclic delay diversity at the transmitter and maximum ratio combining at the receiver, where we develop a UW-based channel estimation scheme for multiple transmit antennas. We show a recently proposed frame optimization scheme for SISO is directly applicable to MIMO. In addition, we evaluate numerically the frame error rate (FER) of OTFS and OFDM with 2x2 and 4x4 MIMO, where the time varying channel is estimated using the UW-based approach. The FER results reveal that OTFS becomes more advantageous than OFDM for MIMO-STC systems with higher order modulation and code rate.

研究动机与目标

• 解决在时变（双重选择性）信道下MIMO-OTFS系统中精确信道估计的挑战。
• 将先前针对SISO系统的UW基估计框架优化方案扩展至MIMO领域。
• 在实际时变信道条件下，评估MIMO-STC系统中OTFS相较于OFDM的性能增益。
• 研究高阶调制与高码率对OTFS与OFDM之间性能差距的影响。

提出的方法

• 采用独特的字词（UW）导频结构，其中每根发射天线发送UW的循环时移版本，以实现每根发射天线的独立信道估计。
• 在发射端使用循环时延分集（CDD），其同时作为空时编码（STC）机制，并支持基于UW的估计框架。
• 将先前SISO工作中的帧优化技术应用于MIMO系统，证明其可直接适用并降低导频开销。
• 在OTFS系统中实现线性最小均方误差结合并行干扰 canceling（LMMSE-PIC）的迭代检测器，以实现接近最优的性能。
• 采用比特交织编码调制（BICM）结合递归系统卷积码（RSC）码，码率为1/2和3/4，调制方式包括QPSK、16-QAM和64-QAM。
• 在时变信道条件下，基于UW基估计方法，对2×2和4×4 MIMO配置下的OTFS与OFDM系统进行帧错误率（FER）性能对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于SISO系统的UW基信道估计算法与帧优化方案能否有效扩展至MIMO-OTFS系统？
• RQ2 在双重选择性信道下，基于UW基估计的MIMO-STC系统中，OTFS与OFDM的性能表现如何比较？
• RQ3 随着频谱效率提高（即高阶调制与高码率），OTFS与OFDM之间的性能差距是否会增大？
• RQ4 在高MIMO配置（如4×4）下，采用64-QAM等高阶星座图与高码率时，OTFS相对于OFDM的剩余性能增益是多少？
• RQ5 基于CDD的UW传输方案是否与空时编码兼容，并能实现每根发射天线的独立信道估计？

主要发现

• 为SISO系统开发的帧优化方案可直接应用于MIMO-OTFS系统，有效降低导频开销，且不降低估计精度。
• 在2×2 MIMO系统中采用3/4码率16-QAM时，OTFS在FER为10⁻³时相比OFDM的FER性能增益超过5 dB。
• 在4×4 MIMO系统中采用3/4码率64-QAM时，OTFS在FER为10⁻³时仍比OFDM具有约2 dB的非可忽略性能增益。
• 随着频谱效率提高，特别是高阶调制与高码率场景下，OTFS与OFDM之间的性能差距显著增大。
• 即使在四根接收天线条件下，OTFS在高吞吐量场景中仍保持可测量的性能优势，反驳了增益随分集增益增加而减小的论断。
• 所提出的基于UW的信道估计算法结合CDD，可在满足 $ N_{\text{UW}} / N_t \geq L $ 条件下实现每根发射天线的独立估计，其中 $ N_{\text{UW}} $ 为UW长度，$ N_t $ 为发射天线数，$ L $ 为信道延迟扩展。