[论文解读] Integrated Sensing and Communication-assisted Orthogonal Time Frequency Space Transmission for Vehicular Networks

Weijie Yuan, Zhiqiang Wei+3 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2021

PAPR reduction in OFDM参考文献 49被引用 338

一句话总结

本文提出了一种基于集成感知与通信（ISAC）的正交时频空（OTFS）传输方案，用于车辆网络，利用车辆回波反射来估计和预测运动参数，以实现波束成形与信道估计。该方案通过使用预测的时延-多普勒参数，消除了上下行链路的导频开销，实现了零训练开销下的近乎完美误码率（BER）性能，并在信噪比（SNR）方面显著优于传统方法。

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is a promising candidate for supporting reliable information transmission in high-mobility vehicular networks. In this paper, we consider the employment of the integrated (radar) sensing and communication (ISAC) technique for assisting OTFS transmission in both uplink and downlink vehicular communication systems. Benefiting from the OTFS-ISAC signals, the roadside unit (RSU) is capable of simultaneously transmitting downlink information to the vehicles and estimating the sensing parameters of vehicles, e.g., locations and speeds, based on the reflected echoes. Then, relying on the estimated kinematic parameters of vehicles, the RSU can construct the topology of the vehicular network that enables the prediction of the vehicle states in the following time instant. Consequently, the RSU can effectively formulate the transmit downlink beamformers according to the predicted parameters to counteract the channel adversity such that the vehicles can directly detect the information without the need of performing channel estimation. As for the uplink transmission, the RSU can infer the delays and Dopplers associated with different channel paths based on the aforementioned dynamic topology of the vehicular network. Thus, inserting guard space as in conventional methods are not needed for uplink channel estimation which removes the required training overhead. Finally, an efficient uplink detector is proposed by taking into account the channel estimation uncertainty. Through numerical simulations, we demonstrate the benefits of the proposed ISAC-assisted OTFS transmission scheme.

研究动机与目标

• 解决传统导频波束跟踪在高速移动车辆网络中训练开销高和时延大的问题。
• 利用ISAC信号从路边单元（RSU）接收的反射回波，估计车辆运动参数（位置、速度）。
• 基于估计的运动参数预测未来车辆状态，实现在无反馈或导频信号情况下的波束成形。
• 基于预测的信道参数，设计无保护间隔的上行链路符号位置方案，以最小化训练开销。
• 通过利用ISAC-OTFS信号结构和信道预测，实现可靠通信并最小化训练开销。

提出的方法

• 利用路边单元（RSU）发射的ISAC信号，同时传输下行链路数据并利用回波反射分析实现对车辆运动参数的感知。
• 使用最大似然（ML）估计器从反射回波中估计车辆时延和多普勒频移，以推断位置和速度。
• 基于估计的运动参数构建动态网络拓扑，预测未来的车辆状态（位置、速度）。
• 基于预测参数设计下行链路波束成形波束成形器，以预补偿信道效应，从而消除对下行导频的需求。
• 在时延-多普勒域设计一种叠加导频-数据符号位置方案，实现无需保护间隔的信道估计。
• 设计一种高效的上行链路检测器，考虑信道估计不确定性，提升在高速移动环境中的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用ISAC-OTFS信号从回波反射中估计和预测车辆运动参数（位置、速度），以实现在无反馈情况下的波束成形？
• RQ2 通过利用预测的时延-多普勒参数，上行链路OTFS系统中信道估计的训练开销能降低到何种程度？
• RQ3 所提出的无保护间隔符号位置方案在信道估计精度和误码率（BER）性能方面，与传统方法相比如何？
• RQ4 所提出的ISAC辅助OTFS方案能否在消除导频开销的同时，实现接近理想情况（完美信道状态信息，CSI）的BER性能？
• RQ5 信道估计不确定性对上行链路检测性能有何影响？在高速移动场景中如何有效缓解该影响？

主要发现

• 所提出的ISAC辅助OTFS方案实现了近乎完美的BER性能，即使在无下行导频的情况下，也极为接近理想情况下的完美信道状态信息（CSI）性能。
• 通过消除保护间隔并采用叠加导频-数据符号位置方案，信道估计的训练开销降低至0%，而传统方案中该开销为12.5%。
• 由于估计不确定性，信道估计的归一化均方误差（NMSE）被限制在约10⁻²，对BER性能影响可忽略不计。
• 所提出的考虑信道估计不确定性的上行链路检测器，优于忽略不确定性的基准SPA检测器，表现出可测量的BER性能提升。
• 所提出的波束对准方案在接收信噪比（SNR）方面优于基于反馈和波束搜索的（ABP）基准方案，尤其在具有快速角度变化的高速移动场景中表现更优。
• 该方案实现了可靠的上行链路通信，BER性能接近符号级最大似然（ML）检测在完美CSI下的表现，同时实现了零训练开销，并对时变信道具有鲁棒性。