[论文解读] Orthogonal Delay-Doppler Division Multiplexing Modulation

Hai Lin, Jinhong Yuan|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2022

PAPR reduction in OFDM被引用 7

一句话总结

本文提出正交时延-多普勒复用（ODDM），一种专为高移动性6G系统中双 selective信道设计的新型多载波调制方案。通过构建与时延-多普勒（DD）平面精细分辨率正交的脉冲，ODDM 实现了完美的信号-信道耦合，生成类似块循环的信道矩阵，其带外辐射和误比特率性能优于 OTFS。

ABSTRACT

Inspired by the orthogonal time frequency space (OTFS) modulation, in this paper, we consider designing a multicarrier (MC) modulation on delay-Doppler (DD) plane, to couple the modulated signal with a doubly-selective channel having DD resolutions. A key challenge for the design of DD plane MC modulation is to investigate whether a realizable pulse orthogonal with respect to the DD plane's fine resolutions exists or not. To this end, we first indicate that a feasible DD plane MC modulation is essentially a type of staggered multitone modulation. Then, analogous to orthogonal frequency division multiplexing, we propose an orthogonal delay-Doppler division multiplexing (ODDM) modulation, and design the corresponding transmit pulse. Furthermore, we prove that the proposed transmit pulse is orthogonal with respect to the DD plane's resolutions and therefore a realizable DD plane orthogonal pulse does exist. The orthogonality of this particular pulse significantly eases the derivation of the ODDM's DD domain channel input-output relation, and yields a channel matrix with an elegant block-circulant-like structure. We demonstrate that the ODDM outperforms the OTFS in terms of out-of-band emission and bit error rate, by achieving perfect coupling between the modulated signal and the DD channel.

研究动机与目标

• 为在双 selective衰落信道中设计一种可实现的、正交的脉冲，用于时延-多普勒（DD）平面上的多载波调制。
• 开发一种调制方案，实现信号与DD域信道的完美耦合，类似于OFDM在时频域中的表现。
• 证明存在一种与DD平面精细分辨率正交的脉冲，并可实际实现。
• 表明所提出的ODDM调制可生成结构化的、类似块循环的信道矩阵，从而简化信号检测与均衡。
• 在频谱效率和误码性能方面，将ODDM与OTFS进行比较，特别是在高移动性场景下。

提出的方法

• 本文指出，可行的DD平面多载波调制本质上是一种交错多音调制，从而实现系统化设计。
• 提出正交时延-多普勒复用（ODDM），一种类似于OFDM但应用于DD域的新调制格式。
• 设计发射脉冲为时间受限、实值的平方根升余弦脉冲，支持区间为[-QT/M, QT/M]，确保与DD平面分辨率网格正交。
• 通过模糊函数严格证明正交性，表明脉冲的互模糊响应在所有非零时延-多普勒偏移下均消失。
• 在DD域中推导出信道输入-输出模型，由于脉冲的正交性，结果呈现类似块循环的结构。
• 采用近似技术表明，该脉冲在时域波形上与理想形式高度吻合，误差可忽略不计。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种可实现的、与时延-多普勒平面精细分辨率正交的脉冲，适用于多载波调制？
• RQ2 能否设计一种调制方案，使信号在DD域中与双 selective信道实现完美耦合？
• RQ3 在带外辐射和误比特率性能方面，所提出的ODDM调制与OTFS相比如何？
• RQ4 当使用正交脉冲时，DD域信道矩阵会呈现出何种结构性特征？
• RQ5 所提出的脉冲能否在时域中以可忽略的近似误差实现？

主要发现

• 一种可实现的、与DD平面正交的脉冲存在，其构造为时间受限、实值的平方根升余弦脉冲，支持区间为[-QT/M, QT/M]。
• 所提出的ODDM调制实现了信号与DD域信道的完美耦合，从而生成结构化的、类似块循环的信道矩阵。
• 发射脉冲的正交性确保了在DD域中符号间干扰与载波间干扰被完全消除，从而简化了检测过程。
• 由于包络衰减和脉冲支持区间内相位变化较小，ODDM脉冲在时域波形上的近似误差可忽略不计。
• ODDM在带外辐射和误比特率性能方面均优于OTFS，尤其在双 selective信道的高移动性场景中表现更优。
• 所推导的DD域信道模型呈现出类似块循环的结构，支持高效均衡与低复杂度信号处理。