[论文解读] OTFS - Orthogonal Time Frequency Space

Anton Monk, Ronny Hadani+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2016

PAPR reduction in OFDM参考文献 5被引用 37

一句话总结

本文提出了一种新型二维调制方案OTFS（正交时频空），将无线通信从时频域转换至时延-Doppler域，实现所有多径分量的相干合并，并将时变信道转化为静态、非衰落的相互作用。其主要贡献在于，通过在时延-Doppler域实现高密度导频复用，即使在高速移动场景下，也能实现与MIMO阶数线性增长的吞吐量和接近容量的频谱效率。

ABSTRACT

In this paper we introduce a new 2D modulation technique called OTFS (Orthogonal Time Frequency & Space) that transforms information carried in the Delay-Doppler coordinate system to the familiar time-frequency domain utilized by traditional modulation schemes such as OFDM, CDMA and TDMA. OTFS converts the fading, time-varying wireless channel into a non-fading, time-independent interaction revealing the underlying geometry of the wireless channel. In this new formulation, all QAM symbols experience the same channel and all Delay-Doppler diversity branches of the channel are coherently combined. Reference signal multiplexing is done in the time-independent Delay-Doppler domain, achieving high density pilot packing, which is a crucial requirement for Massive MIMO. Regardless of the Doppler scenario, OTFS enables approaching channel capacity through linear scaling of throughput with MIMO order, thus realizing the full promise of Massive MIMO throughput gains even in challenging 5G deployment settings.

研究动机与目标

• 解决传统OFDM在高速移动和频率选择性衰落环境下的局限性。
• 实现所有时延-Doppler信道路径的相干合并，以提高可靠性和频谱效率。
• 支持大规模MIMO系统所必需的高导频密度复用。
• 即使在高多普勒扩展下，也能实现频谱效率与MIMO阶数的线性增长。
• 通过将信道转换为与时间无关、非衰落的形式，揭示无线信道的内在几何结构。

提出的方法

• 本文提出一种调制框架，将信息符号映射至时延-Doppler域，将时变无线信道转换为静态、时不变的信道响应。
• 采用二维傅里叶变换（具体为混合域变换）在时频域与时延-Doppler域之间转换信号。
• 通过利用时延-Doppler域中的全部分集增益，实现所有多径分量的相干合并。
• 导频信号在时延-Doppler域中复用，从而实现高谱效率和鲁棒的信道估计。
• 该方法实现了频谱效率与MIMO秩的线性增长，在所有多普勒场景下均保持性能。
• 该方法利用了无线信道的冲激响应在时延-Doppler域中具有稀疏性的特点，从而实现高效的信号处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过调制方案将时变、衰落的无线信道转化为时延-Doppler域中的静态、非衰落相互作用？
• RQ2 是否能够实现所有时延-Doppler分集支路的相干合并，以提高可靠性和频谱效率？
• RQ3 是否能够在时延-Doppler域中实现高密度导频复用，以支持大规模MIMO系统？
• RQ4 OTFS是否能在所有多普勒场景下实现频谱效率与MIMO阶数的线性增长？
• RQ5 OTFS是否能在高速移动和频率选择性衰落环境中实现接近容量的性能？

主要发现

• 通过在时延-Doppler域中工作，OTFS将时变无线信道转化为非衰落、与时间无关的相互作用。
• 所有QAM符号经历相同的信道响应，从而实现所有时延-Doppler分集支路的相干合并。
• 该方法支持在时延-Doppler域中实现高密度导频复用，这对大规模MIMO中精确的信道估计至关重要。
• OTFS实现了频谱效率与MIMO阶数的线性增长，在高速移动场景下仍能实现大规模MIMO的全部理论吞吐量增益。
• 无论多普勒扩展如何，系统均接近理论信道容量，表现出在挑战性5G部署环境中的鲁棒性。
• 通过时延-Doppler表示，揭示了无线信道的内在几何结构，从而实现最优信号处理。