[论文解读] On the Effectiveness of OTFS for Joint Radar and Communication

Lorenzo Gaudio, Mari Kobayashi+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2019

PAPR reduction in OFDM参考文献 36被引用 6

一句话总结

本文提出在车载环境中采用正交时频空（OTFS）调制实现雷达与通信的联合应用，可在实现数据传输全谱率的同时，实现与FMCW雷达相当的高精度时延-多普勒估计。该方法采用高效的近似最大似然估计算法进行雷达参数估计，并结合低复杂度的消息传递软输出检测器，展现出接近最优的性能，相较于现有方案具有显著的实际优势。

ABSTRACT

We consider a joint radar estimation and communication system using orthogonal time frequency space (OTFS) modulation. The scenario is motivated by vehicular applications where a vehicle equipped with a mono-static radar wishes to communicate data to its target receiver, while estimating parameters of interest related to this receiver. In a point-to-point communication setting over multi-path time-frequency selective channels, we study the joint radar and communication system from two perspectives, i.e., the radar estimation at the transmitter as well as the symbol detection at the receiver. For the radar estimation part, we derive an efficient approximated Maximum Likelihood algorithm and the corresponding Cramér- Rao lower bound for range and velocity estimation. Numerical examples demonstrate that multi-carrier digital formats such as OTFS can achieve as accurate radar estimation as state-of-the-art radar waveforms such as frequency-modulated continuous wave (FMCW). For the data detection part, we focus on separate detection and decoding and consider a soft-output detector that exploits efficiently the channel sparsity in the Doppler-delay domain. We quantify the detector performance in terms of its pragmatic capacity, i.e. the achievable rate of the channel induced by the signal constellation and the detector soft output. Simulations show that the proposed scheme outperforms concurrent state-of-the-art solutions. Overall, our work shows that a suitable digitally modulated waveform enables to efficiently operate joint radar and communication by achieving full information rate of the modulation and near-optimal radar estimation performance. Furthermore, OTFS appears to be particularly suited to the scope.

研究动机与目标

• 评估OTFS作为高移动性车载场景下雷达与通信统一波形的适用性。
• 解决在不牺牲通信谱效率的前提下实现精确雷达估计（距离与速度）的挑战。
• 设计一种低复杂度、软输出的OTFS检测方案，利用多普勒-时延域信道的稀疏性。
• 量化在真实多径、时频选择性衰落条件下OTFS的实际容量。
• 从估计精度与可实现速率角度，对比OTFS与最先进的雷达波形（如FMCW）及通信检测器的性能。

提出的方法

• 提出一种高效的近似最大似然（ML）算法，用于从后向散射的OTFS信号中联合估计时延与多普勒偏移（即距离与速度）。
• 推导时延与多普勒估计的Cramér-Rao下界（CRLB），以确立理论性能极限。
• 基于接收到的信号下发射符号的联合后验分布的因子图表示，设计一种基于消息传递（MP）的软输出检测器。
• 在因子图上应用和积算法（SPA），实现在具有稀疏信道响应的OTFS系统中低复杂度、可并行化的检测。
• 采用实用容量度量评估通信性能，考虑星座整形与检测器软输出的影响。
• 通过使用具有矩形脉冲和非整数多普勒-时延偏移的真实信道模型验证所提方案，避免了以往工作中对双正交脉冲的限制性假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 OTFS能否在支持全速率数据通信的同时，实现与专用FMCW波形相当的雷达估计精度？
• RQ2 在估计均方误差（MSE）与可实现速率方面，基于OTFS的雷达与通信联合系统相较于传统OFDM与FMCW的性能如何？
• RQ3 非整数多普勒与时延偏移对OTFS检测算法在实际非网格对齐信道条件下的性能有何影响？
• RQ4 低复杂度消息传递检测器能否在具有稀疏多普勒-时延信道响应的OTFS系统中实现近似最优性能？
• RQ5 所提出的基于MP的检测器与高复杂度LMMSE及先前MP方案相比，在性能与信道失配鲁棒性方面表现如何？

主要发现

• 在多径环境中，OTFS在距离与速度估计的均方误差（MSE）方面实现了与FMCW相当的雷达估计性能。
• 所提出的近似ML估计算法实现了接近CRLB的性能，证明了其在时延-多普勒估计中的高精度。
• 基于MP的软输出检测器优于文献[19]中的方法，并在非整数多普勒与时延偏移下表现出极小的性能退化，而此前方法则表现不佳。
• 所提OTFS系统的实用容量超过当前最先进的同类方案，尤其在丰富的散射环境中表现更优。
• 文献[26]中提出的低复杂度LMMSE估计算法在真实矩形脉冲模型中失效，因其双块循环结构被破坏，导致其假设不成立。
• 所提出的MP检测器在性能与复杂度之间实现了良好的权衡，在P=3,4时优于高复杂度分块LMMSE均衡器，且在P=1,2时仍保持竞争力。