[论文解读] Hybrid MAP and PIC Detection for OTFS Modulation

Shuangyang Li, Weijie Yuan+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2020

PAPR reduction in OFDM参考文献 11被引用 7

一句话总结

本文提出了一种用于OTFS调制的混合MAP与PIC检测算法，可在保持近似最优性能的同时降低检测复杂度。通过基于路径增益对相关接收符号进行划分——对强路径子集应用MAP检测，对弱路径子集应用PIC检测——该方法在误码性能与计算复杂度之间实现了良好的权衡，与最优MAP检测相比性能损失小于1 dB。

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation has attracted substantial attention recently due to its great potential of providing reliable communications in high-mobility scenarios. In this paper, we propose a novel hybrid signal detection algorithm for OTFS modulation. By characterizing the input-output relationship of OTFS modulation, we derive the near-optimal symbol-wise maximum a posteriori (MAP) detection algorithm for OTFS modulation, which aims to extract the information of each transmitted symbol based on the corresponding related received symbols. Furthermore, in order to reduce the detection complexity, we propose a partitioning rule that separates the related received symbols into two subsets for detecting each transmitted symbol, according to the corresponding path gains. We then introduce a hybrid detection algorithm to exploit the power discrepancy of each subset, where the MAP detection is applied to the subset with larger channel gains, while the parallel interference cancellation (PIC) detection is applied to the subset with smaller channel gains. Simulation results show that the proposed algorithms can not only approach the performance of the near-optimal symbol-wise MAP algorithms, but also offer a substantial performance gain compared with existing algorithms.

研究动机与目标

• 解决OTFS系统中符号级最大后验概率（MAP）检测的高计算复杂度问题。
• 在高速移动场景中降低检测复杂度，同时保持近似最优的比特误码率（BER）性能。
• 提出一种灵活的检测框架，通过利用路径增益差异，自适应适应不同信道条件。
• 改进现有基于消息传递和PIC的OTFS系统检测算法。
• 实现OTFS在高速移动应用（如无人机、高速列车和低地球轨道卫星）中的实际部署。

提出的方法

• 基于和积算法推导一种近似最优的符号级MAP检测算法，考虑延迟-多普勒域中所有相关接收符号的可能组合。
• 提出一种基于路径增益的划分规则，将相关接收符号划分为两组：一组为强路径增益，另一组为弱路径增益。
• 对具有较大信道增益的子集应用MAP检测，以利用有用干扰作为信息。
• 对具有较小路径增益的子集应用并行干扰消除（PIC），将干扰近似为高斯变量。
• 使用贝叶斯推断与链式法则展开，对检测过程中的条件概率进行建模。
• 利用图模型结构，在因子图无环假设下近似后验概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合MAP与PIC的混合检测方案是否能在OTFS系统中降低复杂度，同时保持近似最优性能？
• RQ2 路径增益划分如何影响OTFS系统中检测性能与计算复杂度之间的权衡？
• RQ3 在高速移动环境中，所提出的混合算法与最优符号级MAP检测之间的性能差距是多少？
• RQ4 在帧误码率（FER）方面，所提出方法与现有基于消息传递和PIC的检测算法相比表现如何？
• RQ5 在所提出的混合检测方案中，信道编码在多大程度上可缓解性能损失？

主要发现

• 即使在仅存在一个主导路径（L=1）的情况下，所提出的混合检测算法的帧误码率（FER）性能仍与近似最优的符号级MAP检测相差不足1 dB。
• 该算法显著优于先前工作中提出的基于消息传递的算法，尤其在信道路径数（L）增加时优势更明显。
• 检测复杂度仅随强路径增益数量增长，避免了随所有路径数量呈指数增长。
• 该混合方法有效利用了高增益与低增益路径子集之间的功率差异，提升了检测精度。
• 在应用码率为1/3的Turbo码后，所提算法与最优MAP检测之间的性能差距依然微小，证实了其在编码条件下的鲁棒性。
• 该方法提供了一种灵活且自适应的检测框架，可根据信道条件调节，以平衡性能与复杂度。