[论文解读] New Delay Doppler Communication Paradigm in 6G era: A Survey of Orthogonal Time Frequency Space (OTFS)

Weijie Yuan, Shuangyang Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2022

PAPR reduction in OFDM被引用 4

一句话总结

本综述将正交时频空（OTFS）作为一种变革性波形，用于6G无线通信，尤其适用于高速移动环境。通过在延迟-多普勒（DD）域而非传统的时频域调制数据，OTFS能够有效抵抗多普勒频移和多径衰落，从而在动态信道（如空-天-地一体化网络SAGIN中的信道）中实现可靠、低时延、高数据速率的传输。

ABSTRACT

In the 6G era, space-air-Ground integrated networks (SAGIN) are anticipated to deliver global coverage, necessitating support for a diverse array of emerging applications in high-mobility, hostile environments. Under such conditions, conventional orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation, widely employed in cellular and Wi-Fi communication systems, experiences performance degradation due to significant Doppler shifts. To overcome this obstacle, a novel two-dimensional (2D) modulation approach, namely orthogonal time frequency space (OTFS), has emerged as a key enabler for future high-mobility use cases. Distinctively, OTFS modulates information within the delay-Doppler (DD) domain, as opposed to the time-frequency (TF) domain utilized by OFDM. This offers advantages such as Doppler and delay resilience, reduced signaling latency, a lower peak-to-average ratio (PAPR), and a reduced-complexity implementation. Recent studies further indicate that the direct interplay between information and the physical world in the DD domain positions OTFS as a promising waveform for achieving integrated sensing and communications (ISAC). In this article, we present an in-depth review of OTFS technology in the context of the 6G era, encompassing fundamentals, recent advancements, and future directions. Our objective is to provide a valuable resource for researchers engaged in the field of OTFS.

研究动机与目标

• 解决OFDM在高速移动场景下因严重多普勒扩展和载波间干扰导致的性能限制。
• 探索OTFS作为一种下一代波形，其在延迟-多普勒（DD）域中工作，以实现对多普勒和延迟的鲁棒性。
• 为6G中的OTFS提供统一框架，涵盖基础理论、收发器设计、感知-通信一体化（ISAC）集成以及新兴应用。
• 识别未来OTFS系统在多用户MIMO、跨层设计及预测性通信方面的开放研究挑战。

提出的方法

• 在延迟-多普勒（DD）域中建模无线信道，利用DD信道响应的稀疏性和准周期性特征。
• 实施从DD域到时频（TF）域的酉变换，以实现完整的时频分集增益并提升鲁棒性。
• 设计利用DD域结构的收发器，以在高多普勒频移下抑制载波间干扰并保持正交性。
• 将OTFS与可重构智能表面（RIS）和背散射通信等新兴技术集成，实现节能传输。
• 应用深度学习预测DD信道状态和预编码器，以减少对频繁信道估计的依赖。
• 开发跨层设计，基于动态拓扑和移动性联合优化物理层与网络层参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有高多普勒扩展的双 selective 信道中，OTFS如何优于OFDM？
• RQ2 DD信道的稀疏性在多大程度上可被利用以实现低复杂度检测与信道估计？
• RQ3 在高速移动条件下，OTFS在频谱效率和可靠性方面的基本极限是什么？
• RQ4 如何将OTFS与感知-通信一体化（ISAC）集成，以利用共享的信道参数？
• RQ5 基于深度学习的预测性预编码是否可消除OTFS系统中对实时信道估计的需求？

主要发现

• OTFS通过保持正交性并减少载波间干扰，在高速移动环境中表现出优越性能，即使在500 km/h的高速下依然有效。
• DD域表示可实现完整的时频分集增益，显著提升在双 selective 衰落信道中的可靠性。
• 与OFDM相比，OTFS具有更低的峰均功率比（PAPR），可降低功率放大器回退，提升能量效率。
• OTFS信号的准周期性特征使其能够自适应支持不同速度的收发器，增强系统灵活性。
• 基于深度学习的预测性预编码可利用历史DD信道状态，显著降低信道估计开销。
• 基于OTFS的ISAC系统可利用共享的DD域，以极低的硬件开销同时支持通信与感知。