[论文解读] Orthogonal Time Frequency Space Modulation

Ronny Hadani, Shlomo Rakib+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 31被引用 13

一句话总结

本文提出正交时频空（OTFS）调制，一种新型的二维调制方案，其在时延-多普勒域中工作，可将时变无线信道转换为具有近似恒定增益的稳定、时不变信道。通过在时域和频域中利用正交基函数实现全信道分集增益，OTFS在高速移动和短包场景下相较OFDM实现高达4 dB的块误码率增益，显著降低反馈开销，并提升5G及未来系统中的鲁棒性。

ABSTRACT

This paper introduces a new two-dimensional modulation technique called Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) modulation. OTFS has the novel and important feature of being designed in the delay-Doppler domain. When coupled with a suitable equalizer, OTFS modulation is able to exploit the full channel diversity over both time and frequency. Moreover, it converts the fading, time-varying wireless channel experienced by modulated signals such as OFDM into a time-independent channel with a complex channel gain that is essentially constant for all symbols. This design obviates the need for transmitter adaptation, and greatly simplifies system operation. The paper describes the basic operating principles of OTFS as well as a possible implementation as an overlay to current or anticipated standardized systems. OTFS is shown to provide significant performance improvement in systems with high Doppler, short packets, and/or large antenna array. In particular, simulation results indicate at least several dB of block error rate performance improvement for OTFS over OFDM in all of these settings.

研究动机与目标

• 为解决在高速多普勒、高速移动及短包无线系统中，由于信道状态信息在发射端不可行而带来的OFDM局限性。
• 开发一种调制方案，即使在时变多径衰落下，也能保持稳定的等效信噪比（SNR）。
• 通过在时延-多普勒域中重新定义调制，实现在时间和频率上的全分集增益。
• 在有限或无CSI反馈的系统中，降低反馈开销和复杂度，特别是在V2X和毫米波通信中。
• 通过实现稳定、可预测的信道行为，支持大规模MIMO和低时延应用的鲁棒性能。

提出的方法

• OTFS将数据符号调制到覆盖整个传输帧时频持续时间的二维正交基函数上。
• 该系统将时变无线信道转换为每个符号具有恒定复增益的时延-多普勒域信道，从而有效实现信道的时不变性。
• 调制通过窗函数的离散辛傅里叶变换实现，使时延-多普勒域中的信道能够以紧凑形式表示。
• 在时延-多普勒域中应用均衡，以提取全信道分集增益，确保所有符号经历相同的信道增益。
• 解调过程涉及信道冲激响应与变换窗函数的卷积，其数学推导基于Zak变换和辛傅里叶变换。
• 该方法通过在时域和频域中同时扩展扩频，同时保持正交性和对多普勒扩展的鲁棒性，从而推广了OFDM和CDMA。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种调制方案，使其在反馈不可行的高速移动环境中保持稳定的SNR？
• RQ2 在时变信道中，与OFDM相比，是否在时延-多普勒域中工作能够实现全分集提取并改善误码率性能？
• RQ3 在高速多普勒场景下，OTFS相较于OFDM在信道增益变化的标准差方面能降低多少？
• RQ4 在OFDM因分集减少而性能下降的短包和多用户系统中，OTFS的性能如何？
• RQ5 由于其紧凑的时延-多普勒信道表示，OTFS是否能够支持大规模MIMO和密集导频信号部署？

主要发现

• OTFS将信道功率变化的标准差从OFDM的4 dB降低至0.1 dB，从而实现高度稳定的等效SNR。
• 在高速移动场景（120 km/h）下，使用10 ms窗口时，OTFS的SNR标准差仅为0.2 dB，而OFDM超过4 dB。
• 对于1 ms窗口，OTFS实现的衰落余量要求比OFDM低7 dB，以满足1%的掉线概率。
• 在高速多普勒、短包和毫米波系统中，OTFS相较OFDM至少实现2–4 dB的块误码率（BLER）增益。
• 在4 PRB和16QAM条件下，OTFS在所有SNR水平下均保持稳定性能，而OFDM在低SNR时表现出显著性能下降。
• 在从2到50 PRB的包大小范围内，OTFS的BLER保持近似恒定，而OFDM的性能随包长减小而急剧下降。