[论文解读] Orthogonal Time-Frequency Space Modulation: A Full-Diversity Next Generation Waveform

Zhiqiang Wei, Weijie Yuan+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2020

PAPR reduction in OFDM被引用 8

一句话总结

本文提出正交时频空（OTFS）调制作为一种6G网络的全分集波形，通过在时延-多普勒域调制数据，实现高频段高速移动通信的可靠传输。OTFS克服了传统OFDM在多普勒扩展方面的局限性，在高速移动和非地面场景中表现出强健性，并展现出显著的理论与初步性能增益。

ABSTRACT

The sixth-generation (6G) wireless networks are envisioned to provide a global coverage for the intelligent digital society of the near future, ranging from traditional terrestrial to non-terrestrial networks, where reliable communications in high-mobility scenarios at high carrier frequencies would play a vital role. In such scenarios, the conventional orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation, that has been widely used in both the fourth-generation (4G) and the emerging fifth-generation (5G) cellular systems as well as in WiFi networks, is vulnerable to severe Doppler spread. In this context, this article aims to introduce a recently proposed two-dimensional modulation scheme referred to as orthogonal time-frequency space (OTFS) modulation, which conveniently accommodates the channel dynamics via modulating information in the delay-Doppler domain. This article provides an easy-reading overview of OTFS, highlighting its underlying motivation and specific features. The critical challenges of OTFS and our preliminary results are presented. We also discuss a range of promising research opportunities and potential applications of OTFS in 6G wireless networks.

研究动机与目标

• 解决传统OFDM在高速移动和高频段6G无线网络中因严重多普勒扩展而产生的脆弱性问题。
• 克服OFDM在非地面和高速移动环境中因信道动态剧烈而产生的局限性。
• 提出OTFS作为下一代波形，通过利用时延-多普勒域实现全分集与强健性。
• 全面概述OTFS，包括其动机、关键特性、挑战以及在6G系统中的研究机遇。
• 突出OTFS在面向未来智能数字社会、要求全球覆盖与可靠连接方面的潜力。

提出的方法

• 提出OTFS调制作为一种二维波形，将信息符号映射到时延-多普勒域，而非传统的时间-频率域。
• 利用反辛空间有限傅里叶变换（ISFFT）将符号从时延-多普勒域映射到时频域以进行传输。
• 利用无线信道在时延-多普勒域中的稀疏特性，实现全分集并增强对多普勒扩展的鲁棒性。
• 设计包含时延-多普勒域预编码与均衡的信号处理链，以抑制载波间干扰。
• 将信道建模为时延-多普勒域中的稀疏响应，从而实现高效的信道估计与检测。
• 证明OTFS通过利用高速移动场景中固有的时变与频变衰落特性，实现全分集增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种调制方案，以在OFDM因多普勒扩展而失效的高速移动和高频段6G无线网络中保持可靠性？
• RQ2 与传统的时间-频率域相比，使用时延-多普勒域进行信号调制的关键优势是什么？
• RQ3 OTFS如何在典型高速移动场景中常见的双 selective 衰落信道中实现全分集？
• RQ4 OTFS实现中的关键技术挑战有哪些，如何在实际中加以解决？
• RQ5 OTFS在未来的6G网络中，包括非地面与一体化系统在内的有前景的研究机遇与应用场景有哪些？

主要发现

• OTFS通过利用无线信道在时延-多普勒域中的稀疏表示，在双selective衰落信道中实现全分集。
• OTFS在本质上对多普勒扩展具有鲁棒性，因此适用于OFDM性能显著下降的高速移动和非地面网络。
• 时延-多普勒域表示支持在高度动态环境中实现高效的信道估计与检测。
• 初步结果表明，在高多普勒条件下，OTFS在误比特率（BER）性能上优于OFDM。
• OTFS支持在毫米波和亚太赫兹等高频段中的可靠通信，其中多普勒扩展是主要干扰因素。
• 该框架支持全球覆盖，非常适合未来集成地面与非地面系统的6G网络。