[论文解读] OTFS: A New Generation of Modulation Addressing the Challenges of 5G

Ronny Hadani, Anton Monk|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 9被引用 92

一句话总结

OTFS 引入了一种将 QAM 符号映射到时延-多普勒域的二维调制，使用局部脉冲，将雷达与通信联系起来，并在 5G 场景中对多普勒和多径提供鲁棒性。

ABSTRACT

In this paper, we introduce a new 2D modulation scheme referred to as OTFS (Orthogonal Time Frequency & Space) that multiplexes information QAM symbols over new class of carrier waveforms that correspond to localized pulses in a signal representation called the delay-Doppler representation. OTFS constitutes a far reaching generalization of conventional time and frequency modulations such as TDM and FDM and, from a broader perspective, it establishes a conceptual link between Radar and communication. The OTFS waveforms couple with the wireless channel in a way that directly captures the underlying physics, yielding a high-resolution delay-Doppler Radar image of the constituent reflectors. As a result, the time-frequency selective channel is converted into an invariant, separable and orthogonal interaction, where all received QAM symbols experience the same localized impairment and all the delay-Doppler diversity branches are coherently combined. The high resolution delay-Doppler separation of the reflectors enables OTFS to approach channel capacity with optimal performance-complexity tradeoff through linear scaling of spectral efficiency with the MIMO order and robustness to Doppler and multipath channel conditions. OTFS is an enabler for realizing the full promise of MUMIMO gains even in challenging 5G deployment settings where adaptation is unrealistic.

研究动机与目标

• 动机：在 5G 部署中需要一种对多普勒和多径鲁棒的调制方案。
• 介绍 OTFS 作为传统 TDM 和 FDM 的泛化。
• 提出带局部脉冲的时延-多普勒信号表示。
• 展示 OTFS 如何与无线信道耦合，使所有符号都具有不变的失真。
• 将 OTFS 与雷达概念和 MIMO 增益联系起来。

提出的方法

• 提出一种在时延-多普勒坐标上复用 QAM 的二维 OTFS 调制。
• 使用与时延-多普勒表示中的局部脉冲相对应的新类别载波波形。
• 解释 OTFS 如何将时频选择性信道转化为不变、可分离且正交的相互作用。
• 描述与辛变换（symplectic）和 Zak 变换以及时延-多普勒调制概念的关系。
• 论证 OTFS 使谱效率可随 MIMO 阵列阶数线性扩展，并且对多普勒和多径条件具有鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 5G 场景中，OTFS 是否能在保持高谱效率的同时对多普勒和多径具备鲁棒性？
• RQ2 时延-多普勒表示如何促进对所有时延-多普勒分支的相干合成？
• RQ3 在具有挑战性的部署环境中，OTFS 与 MU-MIMO 增益之间的理论联系是什么？
• RQ4 OTFS 如何与雷达信号概念相关，以及对信道容量有哪些影响？
• RQ5 与传统的 TDM/FDM 调制相比，OTFS 的性能与复杂度权衡是什么？

主要发现

• OTFS 提供了对信道反射体的高分辨率时延-多普勒视图。
• 时频信道被转化为对 OTFS 来说不变、可分离且正交的相互作用。
• 所有接收的 QAM 符号都经历相同的局部性失真，使得跨时延-多普勒分支的相干合成成为可能。
• OTFS 支持谱效率随 MIMO 阵列阶数线性扩展，并对多普勒和多径条件表现出鲁棒性。
• OTFS 为雷达与通信提供了概念上的联系，帮助在 5G 部署中实现 MU-MIMO 增益。