[论文解读] Performance Analysis of Coded OTFS Systems over High-Mobility Channels

Shuangyang Li, Jinhong Yuan+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2020

PAPR reduction in OFDM参考文献 26被引用 6

一句话总结

本文针对高速移动信道中的编码OTFS系统进行了性能分析，推导了误码概率（PEP）的上界，并揭示了编码增益与分集增益之间的根本权衡。分析表明，OTFS在高速移动场景中优于OFDM，其性能取决于平方欧几里得距离和可分辨信道路径数。

ABSTRACT

Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is a recently developed multi-carrier multi-slot transmission scheme for wireless communications in high-mobility environments. In this paper, the error performance of coded OTFS modulation over high-mobility channels is investigated. We start from the study of conditional pairwise-error probability (PEP) of the OTFS scheme, based on which its performance upper bound of the coded OTFS system is derived. Then, we show that the coding improvement for OTFS systems depends on the squared Euclidean distance among codeword pairs and the number of independent resolvable paths of the channel. More importantly, we show that there exists a fundamental trade-off between the coding gain and the diversity gain for OTFS systems, i.e., the diversity gain of OTFS systems improves with the number of resolvable paths, while the coding gain declines. Furthermore, based on our analysis, the impact of channel coding parameters on the performance of the coded OTFS systems is unveiled. The error performance of various coded OTFS systems over high-mobility channels is then evaluated. Simulation results demonstrate a significant performance improvement for OTFS modulation over the conventional orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation over high-mobility channels. Analytical results and the effectiveness of the proposed code design are also verified by simulations with the application of both classical and modern codes for OTFS systems.

研究动机与目标

• 分析编码OTFS调制在高速移动、双普适衰落信道中的误码性能。
• 为编码OTFS系统推导误码概率（PEP）的理论上限。
• 研究信道编码参数对OTFS性能的影响，特别是编码增益与分集增益之间的相互作用。
• 通过使用经典与现代信道编码的仿真验证理论分析。
• 展示OTFS在高速列车和无人机等高速移动环境中的优越性，优于传统OFDM。

提出的方法

• 推导OTFS调制在时延-多普勒（DD）域中的条件误码概率（PEP）。
• 基于PEP分析，建立编码OTFS系统误码性能的上界。
• 分析编码增益与分集增益对码字之间平方欧几里得距离及可分辨信道路径数的依赖关系。
• 采用矩阵条件数分析评估误码性能上界的稳定性，表明信道变换矩阵条件良好。
• 应用信噪比（SNR）近似技术简化PEP上界，假设在高信噪比条件下成立。
• 通过在真实高速移动衰落信道中使用多种编码（如卷积码、LDPC码）的仿真验证理论结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 编码OTFS系统的误码性能如何随多普勒扩展和时延扩展等信道参数变化？
• RQ2 在高速移动环境中，编码OTFS的误码概率（PEP）理论上限是什么？
• RQ3 编码增益与分集增益在OTFS系统中如何权衡？影响这一权衡的因素有哪些？
• RQ4 OTFS在高速移动场景中相比传统OFDM优越多少？其性能增益的内在机制是什么？
• RQ5 在高多普勒条件下，不同信道编码方案对OTFS系统误码性能有何影响？

主要发现

• 基于条件误码概率（PEP）推导出编码OTFS系统性能的上界，为编码设计提供了理论基础。
• 存在编码增益与分集增益之间的根本权衡：分集增益随可分辨路径数增加而提升，而编码增益则下降。
• 由于OTFS能够通过DD域调制充分利用时间和频率分集，因此在高速移动环境中优于OFDM。
• OTFS的误码性能直接受码字对之间平方欧几里得距离及信道中独立可分辨路径数的影响。
• 仿真结果表明，无论是经典编码还是现代编码（如LDPC码），应用于OTFS后均能获得显著性能增益，验证了理论分析。
• 在高信噪比条件下，所提出的PEP上界具有充分合理性，近似误差较小，原因在于其基础函数的衰减较慢。