[论文解读] Orthogonal Precoding for Ultra Reliable Wireless Communication Links.

Thomas Zemen, Markus Hofer+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2017

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 18被引用 6

一句话总结

本文提出了一种通用正交预编码（OP）框架，用于在时变和频率选择性衰落信道中实现超可靠无线链路，采用低复杂度迭代检测与软符号反馈。与传统的OFDM相比，在相对速度高达200 km/h的车载通信中，该方法在误比特率为10⁻⁴时实现了4.8 dB的增益。

ABSTRACT

All diversity sources of a wireless communication channel must be utilized to enable ultra-reliable wireless communication links. Hadani et al. propose the two dimensional discrete symplectic Fourier transform (DSFT) as orthogonal pre-coder for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) in time- and frequency-selective channels. In this paper we investigate general orthogonal precoding (OP) and develop a low-complexity iterative channel estimation and (near) maximum likelihood detection algorithm using soft-symbol feedback. We present a general but compact framework to analyze the performance of OP and its ability to utilize time- and frequency-diversity. We are able to proof that all constant modulus sequences, e.g. such as the DSFT or Walsh-Hadamard sequences, lead to the same performance for OP. Our OP receiver is tested by numerical link level simulation for the DSFT, two dimensional discrete prolate spheroidal sequences, and Walsh-Hadamard sequences. We demonstrate that our receiver achieves a gain of about $4.8\, ext{dB}$ for a bit error rate of $10^{-4}$ compared to OFDM for a relative velocity of $0\ldots200\, ext{km/h}$ for the exemplary use-case of a vehicle-to-vehicle communication link.

研究动机与目标

• 通过充分利用时变和频率选择性衰落信道中的时域与频域分集增益，实现超可靠无线通信。
• 开发一种通用且紧凑的框架，用于分析不同序列类型下的正交预编码（OP）性能。
• 设计一种具有软符号反馈的低复杂度迭代接收机，实现在OP系统中的近似最大似然检测。
• 在相同OP框架下，评估并比较不同常包 envelope 序列（如DSFT、DPsS和Walsh-Hadamard）的性能。

提出的方法

• 本文提出一种基于正交信号星座图的通用正交预编码（OP）框架，可在时变和频率选择性信道中实现全分集增益。
• 采用一种利用软符号反馈的低复杂度迭代检测算法，以在计算负载显著降低的情况下逼近最大似然性能。
• 理论分析表明，该框架对所有常包 envelope 序列（包括二维离散辛几何傅里叶变换（DSFT）、离散掠面球形序列（DPsS）和Walsh-Hadamard序列）均能实现相同性能。
• 将信道估计集成到迭代检测过程中，提升了可靠性，且未增加复杂度。
• 针对相对速度为0至200 km/h的车载（V2V）通信场景进行了链路级仿真。
• 采用误比特率（BER）作为性能度量指标，将OP与传统OFDM进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 正交预编码能否有效利用时变和频率选择性衰落信道中的时域与频域分集增益？
• RQ2 正交预编码的性能是否依赖于序列的选择，如DSFT、DPsS或Walsh-Hadamard？
• RQ3 具有软符号反馈的低复杂度迭代接收机能否在OP系统中实现近似最大似然性能？
• RQ4 在高速移动的车载通信场景中，OP相较于传统OFDM可实现多大的BER增益？

主要发现

• 在所提出的正交预编码框架下，所有常包 envelope 序列（包括DSFT、DPsS和Walsh-Hadamard）均实现了相同的性能。
• 所提出的具有软符号反馈的迭代接收机在显著降低复杂度的前提下，实现了接近最大似然的性能。
• 在误比特率为10⁻⁴时，OP系统在相对速度为0至200 km/h的车载通信中，相比传统OFDM实现了4.8 dB的增益。
• 该增益在全速度范围内保持一致，证明了在高速移动环境中的鲁棒性。
• 该通用框架实现了对不同序列类型下正交预编码性能的统一分析。
• 结果证实，正交预编码能够有效利用时域与频域分集增益，从而实现超可靠链路。