Ortogonalna przestrzeń częstotliwości czasu

Ortogonalna Przestrzeń Częstotliwości Czasu ( OTFS ) to technika modulacji 2D, która przekształca informacje przenoszone w układzie współrzędnych Delay-Doppler . Informacja jest przetwarzana w podobnej domenie czasowo-częstotliwościowej, jaka jest wykorzystywana przez tradycyjne schematy modulacji, takie jak TDMA , CDMA i OFDM . Po raz pierwszy był używany w stacjonarnej sieci bezprzewodowej, a obecnie jest konkurującym kształtem fali dla 6G ze względu na swoją solidność w scenariuszach z szybkimi pojazdami.

OTFS jest ściśle powiązany z wcześniejszym schematem modulacji modulacji 2D — zwanym ortogonalną krótkookresową sygnalizacją Fouriera (OSTF) — i jest z nim powiązany poprzez dyskretną transformatę Fouriera 2D. Pod tym względem OTFS jest po prostu wstępnie zakodowaną wersją OSTF. Jednak OSTF definiuje krytyczny interfejs analogowo-cyfrowy, który jest dopasowany do charakterystyki zmieniającego się w czasie kanału bezprzewodowego.

Przegląd

OTFS to schemat modulacji, w którym każdy transmitowany symbol ma prawie stałe wzmocnienie kanału, nawet w kanałach o wysokich częstotliwościach nośnych (fale mm) lub z wysokim Dopplerem. Ten sygnał OTFS jest dobrze zlokalizowany zarówno w dziedzinie czasu, jak i częstotliwości. Transmitowany sygnał jest w domenie opóźnienia-dopplera. Przebieg OTFS pozostaje niezmienny w działaniu domeny czasu i częstotliwości. Kiedy transmitujemy przebieg OTFS w domenie opóźnienia-dopplera, używamy transformaty Zaka . Ten OTFS spełni zasadę nieoznaczoności Heisenberga (sygnał jest zlokalizowany w reprezentacji opóźnienia-dopplera).

Wielkość X[n,m] mieści się dokładnie w domenie czasowo-częstotliwościowej OSTF, która, jak wspomniano powyżej, jest wykorzystywana do transmisji kształtu fali w kanale bezprzewodowym. OTFS i OSTF są powiązane poprzez jednolitą transformację 2D (kodowanie wstępne). Jednak wybór kształtu impulsu w OSTF ma kluczowe znaczenie dla tej operacji zarówno OSTF, jak i OTFS.

Skutecznie przekształca zmienny w czasie kanał wielościeżkowy w kanał 2D w domenie Delay-Doppler. Korzystając z tej transformacji, wraz z wyrównaniem w tej domenie, każdy symbol doświadcza podobnego wzmocnienia kanału podczas całej transmisji.

Modulacja rozpoczyna się najpierw od mapowania symboli informacyjnych x[k,l] w dziedzinie opóźnienia-Dopplera na symbole X[n, m] w celu utworzenia sygnału w dziedzinie czasu s(t) , który jest transmitowany przez kanał bezprzewodowy. Na końcu odbiornika sygnał w dziedzinie czasu r(t) jest odwzorowywany w domenie czasu-częstotliwości przy użyciu transformaty Wignera , która jest odwrotnością transformaty Heisenberga, a następnie do demodulacji symboli wykorzystuje domenę opóźnienia-Dopplera.

Technologia została wykorzystana w sieciach 5G i jest rozważana w sieciach 6G.

Wyrównywanie i szacowanie kanałów

Zaproponowano wyrównanie o niskiej złożoności w oparciu o metody Message Passing (MP), Markov Chain Monte Carlo (MCMC) i liniowe metody wyrównania. Zbadano różnorodność modulacji OTFS. Piloty estymacji kanałów są transmitowane w domenie opóźnienia Dopplera. Zbadano również wydajność modulacji OTFS w statycznych kanałach wielościeżkowych.

Praktyczne przebiegi kształtowania impulsów

Niemożliwe jest przesłanie idealnego kształtu impulsu ze względu na zasadę nieoznaczoności czasowo-częstotliwościowej. To zmotywowało niektóre prace nad praktycznymi systemami OTFS w kształcie impulsów.

Pulsone

Pulson (skrót od impulsu + tonu) to czasowa realizacja quasi-okresowego impulsu w trybie Delay-Doppler i służy jako przebieg nośny formatu modulacji OTFS. Szczególnie interesujące są pulsony w reżimie krystalicznym (kiedy okresy są większe niż rozpiętość kanału). W tym reżimie pulson pozostaje niezmienny w operacjach opóźnienia czasowego i przesunięcia Dopplera, co skutkuje niezanikającą i przewidywalną interakcją kanałów, co czyni pulsony idealnymi do zastosowań związanych z mobilnością i uczeniem maszynowym.

Aplikacja

OTFS oferuje kilka zalet w określonych środowiskach, w których dyspersja występuje przy wysokiej częstotliwości. Środowiska takie jak te są spotykane w systemach wykorzystujących fale milimetrowe, zarówno ze względu na większe rozproszenie Dopplera, jak i wyższy szum fazowy. Ostatnio zaproponowano również zastosowanie kształtów fal OTFS do wykrywania i określania odległości radiowych (RADAR).

Patenty

Pomysł na OTFS został po raz pierwszy opatentowany w 2010 r. przez Ronny'ego Hadaniego i Shlomo Rakiba , a następnie przekazany do Cohere Technologies Inc w 2011 r. W grudniu 2022 r., podczas przemówienia otwierającego inauguracyjne wydarzenie 6G Evolution Summit, moderator Fierce Wireless nazwał Hadaniego „Ojcem OTFS ”.

Pomysł na OTFS jest inspirowany sygnalizacją OSTF (orthogonal short-time Fourier) pierwotnie opracowaną w 2004 r. (K. Liu, T. Kadous i A. Sayeed, Orthogonal Time-Frequency Signaling Over Doubly Dispersive Channels, IEEE Transactions on Information Theory, s. 2583-2603, listopad 2004.) Ścisły związek między OSTF i OTFS jest dalej omawiany w A. Sayeed, How is Time Frequency Space Modulation related to Short Time Fourier Signaling?, IEEE Globecom 2021, grudzień 7-11, 2021, Madryt. arXiv:2109.06047.

https://amsayeed.files.wordpress.com/2021/09/otfs_vs_stf_gcom21_final.pdf A. Sayeed, How is Time Frequency Space Modulation related to Short Time Fourier Signaling?, IEEE Globecom 2021, 7-11 grudnia 2021 r., Madryt . arXiv:2109.06047.

https://amsayeed.files.wordpress.com/2021/09/otfs_vs_stf_gcom21_final.pdf K. Liu, T. Kadous i A. Sayeed, Orthogonal Time-Frequency Signaling Over Double Dispersive Channels, IEEE Transactions on Information Theory, s. 2583-2603, listopad 2004.