Integrated sensing and communication using random-padded orthogonal time frequency space modulation

Abstract

Zintegrowane wykrywanie i komunikacja (ISAC - Integrated Sensing and Communication) to dynamicznie rozwijający się obszar badań, umożliwiający realizację funkcji radarowych i telekomunikacyjnych w jednym urządzeniu oraz wymianę danych między tymi częściami w celu poprawy jakości usług. W systemach ISAC powszechnie stosuje się modulację OFDM, będącą standardem w 4G, 5G czy DVB. Jednak wzrost częstotliwości nośnej w systemach 5G i 6G powoduje, że OFDM staje się wrażliwa na silny efekt Dopplera. Alternatywą jest technika Orthogonal Time Frequency Space (OTFS). W rozprawie doktorskiej zaproponowano nową wersję OTFS - Random-Padded OTFS (RP-OTFS), której celem jest przezwyciężenie ograniczeń OFDM w warunkach silnego Dopplera oraz poprawa działania radaru w systemach ISAC. RP-OTFS wykorzystuje dedykowaną strefę pilotową bez zer, co zapewnia wyższy SNR sygnałów referencyjnych. Wykazano jej przewagę nad klasycznym OFDM oraz innymi wariantami OTFS w transmisji danych i detekcji obiektów. Omówiono także ograniczenia metody, w szczególności założenie (prawie) stałej odpowiedzi impulsowej kanału w krótkiej strefie pilotowej. W pracy zoptymalizowano parametry siatki zasobów RP-OTFS dla różnych scenariuszy radarowych i przedstawiono dwa podejścia do projektowania radaru. Wyniki symulacyjne i pomiarowe potwierdzają skuteczność metody. Udowodniono tezę, że RP-OTFS przewyższa ZP-OTFS, oferując niższy BER w części transmisyjnej oraz wyższy PNFR w części radarowej systemu IS AC w środowiskach o silnym efekcie Dopplera.

Integrated Sensing and Communication (ISAC) is a rapidly developing research area that enables radar and communication functions to be implemented within a single device, as well as data exchange between these components to improve service quality. In ISAC systems, OFDM modulation is widely used and constitutes a standard in 4G, 5G, and DVB systems. However, the increase in carrier frequency in 5G and 6G systems makes OFDM highly sensitive to strong Doppler effects. An alternative is the Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) transmission technique. This doctoral dissertation proposes a new OTFS variant called Random-Padded OTFS (RP-OTFS), aimed at overcoming the limitations of OFDM under strong Doppler conditions and improving radar performance in ISAC systems. RP-OTFS employs a dedicated pilot zone without zero padding, which ensures a higher signal-to- noise ratio (SNR) for reference signals. Its superiority over conventional OFDM and other OTFS variants is demonstrated in terms of data transmission and object detection. The limitations of RP-OTFS are also discussed, particularly the assumption of a (nearly) constant channel impulse response within the pilot zone. The resource grid parameters of RP-OTFS are optimized for various radar scenarios, and two approaches to RP-OTFS-based radar design are presented. Simulation and measurement results confirm the effectiveness of the proposed method. The dissertation proves that RP-OTFS outperforms ZP-OTFS, offering lower BER in the communication part and higher PNFR in the radar part of an ISAC system operating in environments with strong Doppler effects.