論文閱讀：Multicell OTFS 系統

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  今天分享的是一篇 IEEE 車載科技雜誌 (Vehicular Technology Magazine) 的文章，講述 multicell OTFS 系統的細胞間干擾 (inter-cell interference，ICI) 及應對之道。


傍晚的大學城一景，融合現實與魔幻(?)

論文資訊

Z. Zhang, Y. Wu, X. Lei, L. Lei and Z. Wei, “Toward 6G Multicell Orthogonal Time Frequency Space Systems: Interference Coordination and Cooperative Communications,” in IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 19, no. 1, pp. 55-64, March 2024, doi: 10.1109/MVT.2023.3345609.

論文內容

  高速移動(e.g. 時速 100 公里)的應用情境是 6G 行動通訊的主要關注之一，如車聯網、無人機等等，在這些情境下 OFDM 的通道估測變得困難，OTFS 因此受到矚目。在 OTFS 多細胞行動通訊中，位於細胞邊緣的使用者 (cell-edge users，簡稱 CEU) 受到的干擾嚴重、SINR 較低，對於 ubiquitous communications 而言是必須正視的問題。為了對抗 ICI，5G 系統採用以下三種方法：

  • ICI coordination (ICIC)
  • Coordinated multipoint (CoMP)
  • Integrated access and backhaul (IAB)

  前兩者在 4G 引進，IAB 則是 5G 引進。下面分別簡單介紹。

ICIC

  參考介紹通訊協定的知名部落格 Castle on a Cloud 的文章[1]。ICIC 最早在 3GPP Release 8 就提出，為了解決細胞間干擾的問題：UE 位於兩相鄰細胞之間的邊界，其中一個細胞的訊號會形成干擾，或是 UE 位於一個 pico cell 的服務範圍，此時 macro cell 的訊號就會形成干擾。


  ICIC 使基地台 (eNB，for evolved Node B) 透過 X2 介面來協調服務基地台使用哪一個通道(e.g. 頻帶)來傳送訊號。加強版的 eICIC 增加了 ABS (Almost Blank Frame) 的功能，small cell 可以在 macro cell 傳送 ABS 的時候，收發訊號給 UE。更詳細的內容可以參考[2]。

CoMP

  參考通訊協定大神 ShareTechnote 的筆記[3][4]。CoMP 自 4G 引進，沿用至 5G NR，最初的目的是增加細胞邊緣的吞吐量 (throughput)。CoMP 的使用情境為數個 macro cells 之間，或是單一 macro cell 和數個 RRH (Remote Radio Head) 之間的協調，可以是同質網路或是異質網路(不同機器種類、功率等級)。CoMP 的功能如下(以下行為例)：

  • CS (coordinated scheduling)
    一個 UE 的資料只會由一個傳送站點 (TP，transmission point) 發送，TP 和 UE 的配對、傳送的時槽分配等等，由中央的基地台決定 (CSI known)。

  • CB (coordinated beamforming)
    每個 TP 的傳送波束由中央的基地台最佳化，以便增加各個 UE 的 SINR。

  • JT (joint transmission)
    每個 TP 傳送相同資料給單一 UE，透過波束成型來最大化 SINR。

  • TPS (transmission point selection)
    每個時槽選定一個 TP 傳送資料給指定 UE，和 CS 有點像，但是 CS 是以 cluster 為單位分配。

  因 5G NR 對低延遲、毫米波覆蓋率的要求，CoMP 成為更關鍵的技術。只不過 CoMP 也是有缺點，它需要高速低延遲的 backhaul 線路來調度各個 TP，波束成型、排程的計算量也很大，並且對於訊號同步的要求很高(波束成型的基礎)。

IAB

  參考 Castle on a Cloud 和 ERICSSON 的文章[5][6]。由於毫米波的覆蓋範圍較小，5G 需要密集的部署基站，因此也需要相對密集的 backhaul 線路。IAB 以毫米波作為無線 backhaul 的途徑，可以是附加的功能 (IAB-MT) 或是和接取網路共用天線和硬體，如圖A。IAB 以提高訊號強度的方式來增加 SINR，和另外兩種方法的核心概念不同。


圖A，IAB 的基本概念。圖片來源：ericsson.com，連結

  回到 OTFS 系統的 ICI，其實和 OFDM 系統受到的干擾來源是相同的，但是訊號受影響的形態則不太一樣；關鍵在於 OTFS 是在 DD domain 規劃無線電資源。舉例來說，假設有某個 jamming 訊號出現在某頻帶內，對於 OFDM 系統而言，受干擾的是與 jamming 訊號頻譜重疊的子載波；但是對於 OTFS 系統而言，卻是整個 DD domain 都會被蓋到。

ICIC for multicell OTFS

  ICIC 有兩種作法，FFR (fraction frequency reuse) 或 SFR (soft frequency reuse)。FFR 將頻帶分為細胞中央使用的頻帶，以及細胞邊緣 CEUs 使用的頻帶，每個 CEU 實際佔用的頻帶則是依據 reuse factor 再劃分的子頻帶，因此 CEU 彼此之間就不會互相干擾。


  FFR 頻帶使用效率不佳，因為細胞中央的使用者分配到的頻帶減少。SFR 放寬限制，讓細胞中央的用戶也可以使用其他細胞 CEU 分配到的頻帶，只是必須降低功率。


  上述是 OFDM 系統的作法，OTFS 系統大同小異，就是把頻率資源換成 delay-Doppler 資源。圖B呈現一個 seven-cell 的系統，沿著 delay 軸劃分資源。


圖B，OTFS 系統的 ICIC示意圖。圖片來源：論文 Figure 4。

CoMP for multicell OTFS

  在 UE 快速移動的情境下，不管是波束成型 (CB) 還是基地台排程 (CS) 都面臨挑戰。不過基本上作法和 OFDM 系統是一樣的。

IAB for multicell OTFS

  OTFS 系統中的 IAB node 可以分為移動式節點或固定式節點，前者和基地台之間有相對移動，後者則是和用戶有相對移動。大致上和 OFDM 系統是一樣的。

效能比較

  論文模擬 seven-cell 的 OTFS 系統，通道假設為 3GPP EVA model 及 perfect CSI，採用 ICIC 和 CoMP。模擬結果顯示 CoMP CB 的效果優於其他方法，random beamforming 次之。(關於 random beamforming 之後會寫一篇文章給大家講解。)


  至於 IAB-based 的 multicell OTFS 系統，IAB node 和基地台的距離會影響 BER，通道的路徑衰減也是重要因素。

結語

  本文介紹的技術都是在前幾世代行動通訊就被提出、甚至納入 3GPP spec，但是 4G 和 5G 採用的波型皆為 OFDM，這些技術未必能直接套用到新的波型，如 OTFS。這篇論文討論 OTFS 系統的細胞間干擾，指出其與 OFDM 系統的細胞間干擾相異之處，並且以模擬檢驗現有方法的效果。

參考資料

[1] 柯俊先, “LTE筆記: Inter-cell Interference Coordination (ICIC) 以及其延伸 (eICIC, FeICIC)”, note-on-clouds.blogspot.com. Available: https://note-on-clouds.blogspot.com/2020/05/lte-inter-cell-interference.html

[2] ShareTechnote, “ICIC(Inter-Cell Interference Coordination)”, sharetechnote.com. Available: https://www.sharetechnote.com/html/Handbook_LTE_ICIC.html

[3] ShareTechnote, “CoMP (Coordinate MultiPoint)”, sharetechnote.com.
Available: https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_CoMP.html

[4] ShareTechnote, “CoMP”, sharetechnote.com.
Available: https://www.sharetechnote.com/html/LTE_Advanced_CoMP.html

[5] 柯俊先, “LTE筆記: 3GPP Integrated Access and Backhaul”, note-on-clouds.blogspot.com. Available: https://note-on-clouds.blogspot.com/2024/01/lte-3gpp-iab.html

[6] Henrik Ronkainen, Jonas Edstam, Anders Ericsson, Christer Östberg, “Integrated access and backhaul – a new type of wireless backhaul in 5G”, Ericsson Technology Review. Available: https://www.ericsson.com/en/reports-and-papers/ericsson-technology-review/articles/introducing-integrated-access-and-backhaul