Multi-carrier modulations over sparse channels

Gaudio, Lorenzo

Inst. Telekommunikationssysteme

In this dissertation, new vehicular communication (V2V, V2X) scenarios are going to be studied. Under this context, against common and well known radar systems, new joint radar and communications techniques are taking part of the current literature. These system are mainly focused on the transmission of useful information towards the targets, which are, thus, not only “passively” detected, and a single equipment is able to perform both operational modes, avoiding to split the functionalities between two distinct subsystems (with increased cost and complexity). The choice of the multi-carrier modulation for joint radar and communication falls into two distinct waveforms, i.e., orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) modulation and orthogonal time frequency space (OTFS) modulation. OFDM is the most popular multi-carrier modulation of recent years, widely studied and standardized in most of the current communication standards, including 5G. The motivation of this choice is simple: thanks to the application of a cyclic prefix between symbols, i.e., a guard interval to prevent inter-symbol interference, and under the assumption of absence of inter-carrier interference, which holds under reasonable amount of the Doppler effect and subcarrier spacing, the communication channel can be diagonalized and symbol-by-symbol detection performed. Clearly, the appealing simplicity of detection makes OFDM the best choice for modern digital communications. On the other hand, OTFS is a modulation waveform with two big differences with respect to its direct competitor. First, it does not necessitate the insertion of the cyclic prefix, achieving a better communications rate, i.e., more information is sent over a time-frequency window, but at the cost of a more complex detection approach, working blockwise and not symbol-by-symbol. Second, OTFS is not sensitive to delay and Doppler shifts, meaning that its performance is kept constant whatever the distance and the speed between transmitter and (target) receiver. This feature is very appealing for joint radar and communication tasks, being the scenario very dynamical, with possible remarkable Doppler shifts and delays, increased by considering the round-trip time between radar transmitter and target. Based on the aforementioned analysis, in this dissertation we take care of a fair comparison between the two digital modulation formats, from the point of view of radar, parameter estimation, achievable communication rate, channel estimation, and more other tasks, to determine their positive and negative aspects, such that a system designer is able to choose the most suitable waveform for a given scenario or application.
In dieser Dissertation werden neue Szenarien der Fahrzeugkommunikation (V2V, V2X) untersucht. In diesem Zusammenhang wird gegen gängige und bekannten Radarsystemen, neue gemeinsame Radar- und Teil der aktuellen Literatur. Diese Systeme konzentrieren sich hauptsächlich auf die Übertragung von nützlichen Informationen zu den Zielen, die somit nicht nur ”passiv” erfasst wer- den, und ein einziges Gerät ist in der Lage, beide Betriebsarten auszuführen, ohne dass die Funk- tionalitäten auf zwei verschiedene Subsysteme aufzuteilen (mit erhöhten Kosten und Komplexität). Die Wahl der Mehrträgermodulation für gemeinsames Radar und Kommunikation fällt in zwei ver- schiedene Wellenformen, d.h. orthogonales Frequenzmultiplexing (OFDM)-Modulation und Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) Modulation. OFDM ist die beliebteste Mehrträgermodulation der letzten Jahren, die weithin untersucht und in den meisten aktuellen Kommunikationsstandards, einschließlich 5G. Die Motivation für diese Wahl ist einfach: dank der Anwendung eines zyklischen Präfixes zwischen den Symbolen, d.h. eines Schutzintervalls um Intersymbol-Interferenz zu verhindern, und unter der Annahme der Abwesenheit von Intersymbolinterferenz, die bei angemessenem Dopplereffekt und Effekts und des Unterträgerabstands gilt, kann der Kommunikationskanal diagonalisiert und eine Symbol-für-Symbol-Erkennung durchgeführt werden. Offensichtlich macht die ansprechende Einfachheit der Erkennung macht OFDM zur besten Wahl für moderne digitale Kommunikation. Auf der anderen Seite ist OTFS eine Modulationswellenform mit zwei großen Unterschieden im Vergleich zu seinem direkten Konkurrenten. Erstens ist es nicht notwendig, das zyklische Präfix einzufügen, wodurch eine bessere Kommunikationsrate erreicht wird, d.h. mehr Informationen über ein Zeit-Frequenz-Fenster gesendet werden, aber auf Kosten eines komplexeren Erkennungsansatzes, der blockweise und nicht Symbol für Symbol arbeitet. Zweitens ist OTFS unempfindlich gegenüber Verzögerungen und Dopplerverschiebungen, das bedeutet, dass die Leistung konstant bleibt, unabhängig von der Entfernung und der Geschwindigkeit zwischen Sender und (Ziel-)Empfänger. Diese Eigenschaft ist sehr ansprechend für gemeinsame Radar- und Kommunikationsaufgaben, weil das Szenario sehr dynamisch ist, mit möglichen bemerkenswerten Doppler-Verschiebungen und Verzögerungen, die durch die Berücksichtigung der Round-Trip Zeit zwischen Radarsender und Ziel. Basierend auf der vorgenannten Analyse wird in dieser Dissertation ein fairer Vergleich zwischen den beiden digitalen Modulationsformaten, aus der Sicht des Radars, der Parameterschätzung der erreichbaren Kommunikationsrate, der Kanalschätzung und weiterer Aufgaben, um ihre positiven und negativen Aspekte zu bestimmen, so dass ein System Systemdesigner in der Lage ist, die am besten geeignete Wellenform für ein gegebenes Szenario oder Anwendung.