[論文レビュー] A Dual-Function Radar Communication System With OFDM Waveforms and Subcarrier Sharing

Zhaoyi Xu, Athina P. Petropulu|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2021

Radar Systems and Signal Processing被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、送信アンテナ間でサブキャリアを共有することで、センシングおよび通信の両方のスペクトル効率を最大化する、新しいOFDMベースのMIMO双機能レーダー通信（DFRC）システムを提案する。プライベートサブキャリアを導入して仮想アレイを合成することで、通信レートを多少犠牲にしつつも角度分解能を向上させ、反復的で低複雑度のパrameter推定法および最適化波形予めんきんを用いて、高いデータレートと正確なターゲット推定を実現する。

ABSTRACT

A novel monostatic multiple-input multiple-output (MIMO) dual-function radar communication (DFRC) system is proposed, that uses the available bandwidth efficiently for both sensing and communication. The proposed system, referred to as Shared-Subcarriers DFRC (SS-DFRC) transmits wideband, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) waveforms and allows the transmit antennas to use subcarriers in a shared fashion. A novel, low complexity target estimation approach is proposed to overcome the coupling of radar target parameters and transmitted symbols that arises in that case. When all subcarriers are used in a shared fashion, the proposed system achieves high communication rate but its sensing performance is limited by the size of the receive array. We show that when some of the subcarriers are reserved for exclusive use by one transmit antenna each (private subcarriers), the communication rate can be traded off for improved sensing performance. The latter can be achieved by using the private subcarriers to construct a larger aperture virtual array that yields higher resolution angle estimates. The system is endowed with beamforming capability, via waveform precoding, where the precoding matrix is optimally designed to meet a joint sensing-communication system performance metric.

研究の動機と目的

• 広帯域MIMO DFRCシステムを設計し、レーダー感度と高レート通信の両方で利用可能なスケジューリングを効率的に行う。
• 共有サブキャリアにおけるOFDM波形におけるレーダー・通信シンボルのカップリングおよび波形直交性の喪失という課題に対処する。
• 物理的アパーチャーが限られている状況でも、プライベートサブキャリアを用いて仮想アレイを合成し、角度分解能を向上させる。
• 送信予めんきんを最適化して、同時に感度性能と通信SNRを向上させる。
• 共有サブキャリアにおけるレーダーおよび通信信号を分離できる低複雑度で反復的なターゲットパrameter推定法を開発する。

提案手法

• 複数の送信アンテナにわたってサブキャリアを共有する直交周波数分割多重（OFDM）波形を用いて、通信帯域効率を最大化する。
• 個々のアンテナにプライベートサブキャリアを割り当て、より大きな仮想アレイを構築することで、ターゲット推定のための角度分解能を向上させる。
• 共有サブキャリア内でのレーダーパラメータ（角度、距離、ドップラー）と変調された通信シンボルを分離するための、新規で低複雑度のターゲット推定法を提案する。
• 勾配降下法を用いて送信予めんきん行列を最適化し、所望のビームパターンを実現するとともに、通信受信機におけるSNRを最大化する。
• 角度チャンク内での信号相互相関を用いて反復的に角度および距離推定値を精緻化し、それらをドップラー推定値とペアリングする。
• 共有およびプライベートサブキャリアの両方で最小二乗推定法を用いて通信シンボルを復元し、後者により重複送信がないため、BERが低くなる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OFDMベースのMIMOレーダー・システムにおけるサブキャリア共有を活用することで、感度性能を劣化させずに通信データレートを向上させることは可能か？
• RQ2 共有サブキャリアシステムにおける波形非直交性およびシンボルカップリングが、レーダー・ターゲットパラメータ推定に与える影響は何か？
• RQ3 プライベートサブキャリアを用いて仮想アレイを合成することは、物理的アパーチャーが限られている状況でも角度分解能を向上させることができるか？
• RQ4 送信予めんきんをどのように共同最適化すれば、レーダー感度と通信性能の両方を向上させられるか？
• RQ5 サブキャリアを共有またはプライベートに割り当てる際の、通信レートと感度精度のトレードオフは何か？

主な発見

• 16本の送信アンテナを用いた場合、システムは最大3.277ギガビット/秒の通信ビットレートを達成する。
• プライベートサブキャリアの使用により、完全に共有サブキャリアを使用した場合と比較して6メガビット/秒のビットレート損失が生じる。
• プライベートサブキャリアにおけるビットエラー率（BER）は、共有サブキャリアよりも低く、Nt=12アンテナでは低SNRでも低BERを達成する。
• 送信アンテナ数を増加させることでSNRゲインおよびビームパターン性能が向上するが、同時に共有サブキャリアにおけるBERも増加する。
• 反復的推定アルゴリズムは、範囲および角度推定値を正しくペアリングし、仮想アレイからの精緻な角度情報によって精度を向上させる。
• 勾配降下法による提案された予めんきん設計は、感度指向性と通信SNRの両立に効果的に寄与し、全体のシステム性能を向上させる。