[论文解读] Effect of Prefix/Suffix Configurations on OTFS Systems with Rectangular Waveforms

Salah Eddine Zegrar, Hüseyin Arslan|arXiv (Cornell University)|May 30, 2022

PAPR reduction in OFDM被引用 5

一句话总结

本文研究了不同前缀/后缀配置（如全-CP、缩减-CP、全-ZS 和缩减-ZP）对使用矩形波形的正交时频空间（OTFS）系统的影响。推导了每种配置下有效信道和接收信号的闭式表达式，表明前缀/后缀的选择显著影响符号间干扰和载波间干扰，其中全零后缀（FZS）在高速移动场景中表现更优，因其减少了多普勒扩展并提高了信道相干性。

ABSTRACT

Recently, orthogonal time-frequency-space (OTFS) modulation is used as a promising candidate waveform for high mobility communication scenarios. In practical transmission, OTFS with rectangular pulse shaping is implemented using different prefix/suffix configurations including reduced-cyclic prefix (RCP), full-CP (FCP), full-zero suffix (FZS), and reduced-zero padded (RZP). However, for each prefix/suffix type, different effective channel are seen at the receiver side resulting in dissimilar performance of the various OTFS configurations given a specific communication scenario. To fulfill this gap, in this paper, we study and model the effective channel in OTFS systems using various prefix/suffix configurations. Then, from the input-output relation analysis of the received signal, we show that the OTFS has a simple sparse structure for all prefix/suffix types, where the only difference is the phase term introduced when extending quasi-periodically in the delay-Doppler grid. We provide a comprehensive comparison between all OTFS types in terms of channel estimation/equalization complexity, symbol detection performance, power and spectral efficiencies, which helps in deciding the optimal prefix/suffix configuration for a specific scenario. Finally, we propose a novel OTFS structure namely reduced-FCP (RFCP) where the information of the CP block is decodable.

研究动机与目标

• 分析不同前缀/后缀配置（例如 FCP、FZS、RCP、RZP）对使用矩形脉冲成形的OTFS系统的影响。
• 在不同前缀/后缀类型下，对OTFS系统中的有效信道和接收信号进行建模。
• 量化每种配置在高速移动环境中对符号间干扰（ISI）和载波间干扰（ICI）的影响。
• 从信噪比（SNR）、误比特率（BER）和归一化均方误差（NMSE）的角度，比较不同配置的性能。
• 提供反映前缀/后缀设计对系统性能影响的、有效信道和接收信号的闭式表达式。

提出的方法

• 利用离散傅里叶变换（DFT）和辛几何有限傅里叶变换（SFFT）域，推导每种前缀/后缀类型（如 FCP、FZS）的有效信道矩阵。
• 建模时域信道冲激响应（CIR），并使用逆辛几何有限傅里叶变换（ISFFT）将其映射到时延-多普勒（DD）域。
• 使用克罗内克函数和相位项，以闭式表达接收信号，考虑不同前缀/后缀长度引入的时间与频率偏移。
• 通过模运算和指数相位项，分析分数多普勒以及时间/频率对齐的影响。
• 应用广义-Κ（KG）衰落模型表示信道统计特性，并推导不同配置下的有效信道表达式。
• 通过附录中的数学证明和推导验证所推导的模型，表明有效信道依赖于特定的前缀/后缀结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 前缀/后缀配置（如 FCP、FZS、RCP、RZP）的选择如何影响使用矩形波形的OTFS系统中的有效信道？
• RQ2 在使用不同前缀/后缀类型时，OTFS中的接收信号的数学形式是什么？不同配置之间有何差异？
• RQ3 前缀/后缀配置如何影响高速移动场景中的符号间干扰（ISI）和载波间干扰（ICI）？
• RQ4 为何全零后缀（FZS）配置在信号质量与干扰抑制方面优于其他配置？
• RQ5 能够捕捉前缀/后缀设计影响的、有效信道和接收信号的闭式表达式是什么？

主要发现

• 全零后缀（FZS）配置由于最优的时间-频率对齐和减少的多普勒扩展，导致最低的符号间干扰（ISI）和载波间干扰（ICI）。
• FZS中的有效信道被建模为下三角矩阵，这在高速移动场景中简化了检测并减少了误码传播。
• FZS中的接收信号表现出依赖于时延和多普勒偏移的相位项，具体为 $ e^{j2rac{ ilde{k}_i(l-l_i)}{MN}} $，从而增强了信号相干性。
• 相比之下，全循环前缀（FCP）配置引入了依赖于 $ L_{\text{cp}} $ 的相位偏移，增加了有效延迟扩展，导致在高速移动环境中性能下降。
• 模型表明，FZS在高多普勒条件下相比FCP和RCP表现出更优的归一化均方误差（NMSE）和误比特率（BER）性能。
• 推导出的表达式证实，前缀/后缀的选择直接改变有效信道响应，使其成为使用矩形波形的OTFS系统中的关键设计参数。