[论文解读] On the Diversity of OTFS Modulation in Doubly-Dispersive Channels.

G. D. Surabhi, Rose Mary Augustine+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文对双重选择性信道中正交时频空（OTFS）调制的分集增益进行了形式化分析，证明其渐近分集增益为1。然而，研究表明有限信噪比（SNR）增益可带来更高阶分集增益，并提出一种使用超越数的相位旋转方案，可在时延-多普勒域实现全分集增益。

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) is a 2-dimensional (2D) modulation technique designed in the delay-Doppler domain. A key premise behind OTFS is the transformation of a time varying multipath channel into an almost non-fading 2D channel in delay-Doppler domain such that all symbols in a transmission frame experience the same channel gain. It has been suggested in the recent literature that OTFS can extract full diversity in the delay-Doppler domain, where full diversity refers to the number of multipath components separable in either the delay or Doppler dimension, but without a formal analysis. In this paper, we present a formal analysis of the diversity achieved by OTFS modulation along with supporting simulations. Specifically, we prove that the asymptotic diversity order of OTFS (as SNR $ ightarrow \infty$) is one. However, in the finite SNR regime, potential for a higher order diversity is witnessed before the diversity one regime takes over. Also, the diversity one regime starts at lower BER values for increased frame sizes. We also propose a phase rotation scheme for OTFS using transcendental numbers. We show that OTFS with this proposed scheme extracts the full diversity in the delay-Doppler domain.

研究动机与目标

• 对双重选择性信道中OTFS调制的分集增益进行形式化分析，填补先前文献中假设全分集但缺乏证明的空白。
• 研究在有限信噪比（SNR）区域中分集增益的行为，探究在达到渐近区域之前是否可能出现更高阶分集增益。
• 提出一种新颖的相位旋转方案，利用超越数提升OTFS的分集增益。
• 证明所提出的方案可使OTFS在时延-多普勒域实现全分集增益，克服渐近分集增益为1的局限性。

提出的方法

• 通过时延-多普勒信道的随机建模，对OTFS的分集增益进行理论分析，重点研究SNR趋近无穷大时符号误码率（SER）的行为。
• 采用基于仿真的评估方法，研究有限SNR区域中的分集行为，特别是从高阶分集向渐近分集增益1的过渡过程。
• 引入一种相位旋转方案，其中导频或数据符号通过超越数（如π或e）进行旋转，以实现时延-多普勒抽头间信道响应的非相关化。
• 将所提出的相位旋转应用于OTFS信号星座图，确保时延-多普勒域中的多径分量可被区分，并独立贡献于分集增益。
• 通过在不同帧大小和SNR水平下进行比特误码率（BER）仿真，评估相位旋转OTFS的性能。
• 推导并比较理论分集增益边界与仿真结果，以验证所提方案下实现全分集增益的论断。

实验结果

研究问题

• RQ1 在双重选择性信道中，OTFS调制的真实渐近分集增益是多少？是否与普遍假设的全分集一致？
• RQ2 在有限SNR区域中，OTFS的分集行为如何变化？在何种SNR水平下，渐近分集增益1的区域开始主导？
• RQ3 使用超越数的相位旋转方案能否提升OTFS的分集增益？若能，其适用条件是什么？
• RQ4 所提出的相位旋转方案是否能使OTFS在时延-多普勒域实现全分集增益，而非仅渐近分集增益1？
• RQ5 帧大小如何影响OTFS系统中分集增益1区域的起始时机？

主要发现

• 正式证明了在双重选择性信道中，OTFS的渐近分集增益为1，与先前文献中假设的全分集增益相矛盾。
• 在有限SNR区域中，OTFS在进入渐近分集增益1区域之前表现出更高阶分集增益，表明在中等SNR水平下存在性能增益。
• 对于更大的帧大小，分集增益1区域的起始点出现在更低的比特误码率（BER）值，表明帧大小会影响分集饱和的SNR阈值。
• 所提出的使用超越数的相位旋转方案成功使OTFS在时延-多普勒域中实现全分集增益，克服了渐近分集增益为1的局限性。
• 仿真结果证实，相位旋转后的OTFS在有限SNR区域表现出更优的误码性能，验证了理论分析的正确性。
• 在相位旋转中使用超越数可确保多径分量充分非相关化，使独立衰落增益能够有效贡献于分集增益。