[论文解读] Receiver Design for OTFS with Fractionally Spaced Sampling Approach

Yao Ge, Qinwen Deng+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

PAPR reduction in OFDM参考文献 43被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于正交时频空间（OTFS）系统的分数间隔采样（FSS）接收机，采用实际的矩形脉冲，避免了对理想双正交脉冲或网格化多普勒-延迟偏移等不切实际的假设。通过在延迟-多普勒域推导出通用的输入-输出关系，并采用迭代合并消息传递（ICMP）和稀疏消息传递（TMP）算法，FSS接收机实现了更优的性能和对不完整信道状态信息的鲁棒性，尤其在具有时变信道的高速移动场景中表现优异。

ABSTRACT

The recent emergence of orthogonal time frequency space (OTFS) modulation as a novel PHY-layer mechanism is more suitable in high-mobility wireless communication scenarios than traditional orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). Although multiple studies have analyzed OTFS performance using theoretical and ideal baseband pulseshapes, a challenging and open problem is the development of effective receivers for practical OTFS systems that must rely on non-ideal pulseshapes for transmission. This work focuses on the design of practical receivers for OTFS. We consider a fractionally spaced sampling (FSS) receiver in which the sampling rate is an integer multiple of the symbol rate. For rectangular pulses used in OTFS transmission, we derive a general channel input-output relationship of OTFS in delay-Doppler domain without the common reliance on impractical assumptions such as ideal bi-orthogonal pulses and on-the-grid delay/Doppler shifts. We propose two equalization algorithms: iterative combining message passing (ICMP) and turbo message passing (TMP) for symbol detection by exploiting delay-Doppler channel sparsity and the frequency diversity gain via FSS. We analyze the convergence performance of TMP receiver and propose simplified message passing (MP) receivers to further reduce complexity. Our FSS receivers demonstrate stronger performance than traditional receivers and robustness to the imperfect channel state information knowledge.

研究动机与目标

• 为解决现有OTFS系统中缺乏依赖非理想、可实现脉冲形状（如矩形脉冲）的实际接收机设计的问题。
• 克服现有OTFS接收机依赖理想双正交脉冲或网格化延迟/多普勒偏移假设的局限性，这些假设因海森堡不确定性原理而不切实际。
• 设计一种接收机架构，通过分数间隔采样（FSS）以符号速率的整数倍实现，充分挖掘延迟-多普勒域中的信道分集增益和稀疏性。
• 设计低复杂度、高性能的均衡算法——ICMP与TMP，使其对不完整信道状态信息具有鲁棒性，适用于实际的OTFS系统部署。

提出的方法

• 在不假设理想脉冲或网格化多普勒-延迟偏移的前提下，基于矩形脉冲和每帧一个循环前缀，推导出OTFS在延迟-多普勒域的通用输入-输出关系。
• 采用采样速率为符号速率整数倍的分数间隔采样（FSS），以保持充分统计量并利用信道分集增益。
• 提出两种基于消息传递的均衡算法：迭代合并消息传递（ICMP）和稀疏消息传递（TMP），充分利用信道稀疏性和时变信道结构。
• 引入简化的消息传递（MP）变体以降低计算复杂度，同时保持高性能。
• 利用交叉模糊函数和采样信道冲激响应，建模延迟-多普勒域中的等效信道矩阵。
• 推导出延迟-多普勒域中等效信道系数的闭式表达式，从而通过消息传递实现高效符号检测。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖理想双正交脉冲假设的前提下，设计一种基于可实现矩形脉冲的实际OTFS接收机？
• RQ2 在使用矩形脉冲和每帧一个循环前缀的情况下，OTFS在延迟-多普勒域的输入-输出关系是什么？
• RQ3 分数间隔采样（FSS）是否能提升在时变信道中高速移动OTFS系统的分集增益和性能？
• RQ4 ICMP与TMP均衡算法在不完整信道状态信息下的收敛性和鲁棒性表现如何？
• RQ5 非网格对齐的延迟和多普勒偏移对OTFS系统性能有何影响，以及如何有效缓解？

主要发现

• 所提出的FSS接收机通过提高采样率以利用信道分集增益，相比传统符号间隔采样接收机实现了更强的性能。
• 推导出的延迟-多普勒域输入-输出关系具有通用性，适用于矩形脉冲，且无需理想脉冲形状或网格化延迟/多普勒偏移假设。
• 稀疏消息传递（TMP）接收机表现出良好的收敛性能和对不完整信道状态信息的鲁棒性，适用于实际部署。
• 提出了简化的消息传递（MP）变体，以降低复杂度，同时保持高检测精度。
• 基于FSS的OTFS接收机能有效抑制双重扩展信道中的符号间干扰（ISI）和载波间干扰（ICI）。
• 每帧仅使用一个循环前缀，在保持频谱效率的同时，通过先进均衡实现有效的干扰消除。