[论文解读] Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) Modulation Based Radar System

P. Raviteja, Khoa T. Phan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2019

PAPR reduction in OFDM参考文献 17被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于OTFS的匹配滤波算法，用于雷达系统，可实现对高速移动目标的鲁棒距离与速度估计。通过利用OTFS的符号间干扰消除传输特性及减少循环前缀，该方法实现了更长的探测距离、更快的跟踪速率，并实现了高达整个子载波间隔的多普勒估计，优于传统OFDM雷达在高多普勒环境下的性能。

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation was proposed to tackle the destructive Doppler effects in wireless communications, with potential applications to many other areas. In this paper, we investigate its application to radar systems, and propose a novel efficient OTFS-based matched filter algorithm for target range and velocity estimation. The proposed algorithm not only exhibits the inherent advantages due to multi-carrier modulation of the existing orthogonal frequency division multiplexing (OFDM-) based radar algorithms but also provides additional benefits to improve radar capability. Similar to OFDM, OTFS spreads the transmitted signal in the entire time--frequency resources to exploit the full diversity gains for radar processing. However, OTFS requires less cyclic prefix, and hence, shorter transmission duration than OFDM, allowing longer range radar and/or faster target tracking rate. Additionally, unlike OFDM, OTFS is inter-carrier interference-free, enabling larger Doppler frequency estimation. We demonstrate the performance of the proposed algorithm using numerical results under different system settings.

研究动机与目标

• 为解决OFDM雷达在高速移动环境下的局限性，特别是多普勒不敏感性和符号间干扰问题。
• 探索将OTFS调制应用于雷达系统的可行性与优势，以提升目标检测性能。
• 开发一种高效的匹配滤波算法，充分利用OTFS在时频资源上的全维度使用，以增强雷达处理中的分集增益。
• 证明OTFS可实现比OFDM雷达更大的多普勒频率估计范围和更远的探测距离。

提出的方法

• 所提方法在雷达处理中使用随机、等功率的数据符号，占据整个OTFS帧，从而无需导频符号。
• 在发射端应用匹配滤波器，通过在时延-多普勒域中将接收信号与已知发射波形进行互相关，以估计目标参数。
• 信号模型利用OTFS的二维正交基函数，将发射符号映射到时延-多普勒域，实现在时间和频率域上的相干处理。
• 该算法利用OTFS在时延-多普勒域中的固有正交性，在高多普勒频移条件下保持信号完整性。
• 与OFDM相比，该方法减少了循环前缀开销，从而缩短了传输时长，提升了探测距离与跟踪性能。
• 理论分析推导了匹配滤波器输出矩阵的均值与方差，表明非对角线项在高信噪比下限制了性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 OTFS调制能否有效应用于雷达系统，以在高速移动场景中提升目标检测性能？
• RQ2 基于OTFS的雷达与基于OFDM的雷达相比，其多普勒频率估计能力如何？
• RQ3 由于减少了循环前缀并充分利用了全时频资源，使用OTFS在探测距离与跟踪速率方面带来了哪些性能增益？
• RQ4 在高信噪比下，OTFS雷达的匹配滤波器输出在多大程度上趋于饱和？其饱和限制因素是什么？
• RQ5 OTFS的符号间干扰消除特性是否能够实现比OFDM更高的多普勒频移检测？

主要发现

• 基于OTFS的雷达可实现高达整个子载波间隔Δf的多普勒频率估计，而OFDM的估计范围仅限于约Δf的10%。
• 所提算法由于减少了循环前缀，实现了更长的雷达探测距离，从而缩短了传输时长并提高了有效信号能量。
• 匹配滤波器输出在高信噪比下表现出图像信噪比饱和，饱和点为1/MN，其根源在于互相关矩阵的非对角线项。
• 通过将信号在整个时频网格上分布，该算法保持了完整的分集增益，从而增强了处理增益。
• 数值结果证实，基于OTFS的雷达在检测高速度和远距离目标方面优于基于OFDM的雷达。
• 理论分析表明，匹配滤波器输出的非对角线元素均值为零，方差为MNP_s^2 + F_{i,j}，其中F_{i,j} = 0，这是由于符号的独立同分布假设及对称条件。