[論文レビュー] Co-Designing Statistical MIMO Radar and In-band Full-Duplex Multi-User MIMO Communications -- Part I: Signal Processing

Jiawei Liu, Kumar Vijay Mishra+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2020

Radar Systems and Signal Processing参考文献 62被引用数 37

ひとこと要約

本論文は、スペクトラムを共有する統計的MIMOレーダとIBFD MU-MIMO通信システムの共同設計フレームワークを提案し、レーダーコード、UL/DLプリコーダ、受信フィルタを共成分化・加重和相互情報量基準で結合最適化します。

ABSTRACT

We consider a spectral sharing problem in which a statistical (or widely distributed) multiple-input multiple-output (MIMO) radar and an in-band full-duplex (IBFD) multi-user MIMO (MU-MIMO) communications system concurrently operate within the same frequency band. Prior works on joint MIMO-radar-MIMO-communications (MRMC) systems largely focus on either colocated MIMO radars, half-duplex MIMO communications, single-user scenarios, omit practical constraints (clutter, uplink [UL]/downlink [DL] transmit powers, UL/DL quality-of-service, and peak-to-average-power ratio), or MRMC co-existence that employs separate transmit/receive units. The purpose of this and companion papers (Part II and III) is to co-design an MRMC framework that addresses all of these issues. In this paper, we propose signal processing for a distributed IBFD MRMC, where radar receiver is designed to additionally exploit the downlink communications signals reflected from a radar target. Extensive numerical experiments show that our methods improve radar target detection over conventional codes and yield a higher achievable data rate than standard precoders. The following companion paper (Part II) describes the theory and procedure of our algorithm to solve the non-convex design problem. The final companion paper (Part II) considers the case of multiple targets and examines the tracking performance of our MRMC system.

研究の動機と目的

• 広く分散したMIMOレーダと同じ帯域で動作するイン・バンド・フルデュプレックス MU-MIMO通信システム間のスペクトラム共有を動機づけ、対処する。
• 実用的な制約（UL/DL電力、QoS、PAR）下でレーダー波形と通信プリコーダ/受信機を共同設計する。
• レーダ検出と通信データレートの両方で単調収束と改善された性能をもたらす最適化フレームワークを開発する。

提案手法

• レーダーと通信の結合性能指標として共成分化・加重和相互情報量（CWSM）を定義する。
• UL/DL電力、QoS、ピーク対平均電力比の制約の下で、レーダーコード行列A、UL/DLプリコーダ{Pu,i[k],Pd,j[k]}、および線形受信フィルタを共同最適化する非凸最適化問題を定式化する。
• 最適化問題CWSMを、ブロック座標降下法（BCD）と交互射影法（AP）の組み合わせを用いて反復解を得る。
• 実用的な同期、チャネル、干渉を考慮した統計的MIMOレーダー（広く分散したアンテナ）とIBFD MU-MIMO通信をモデル化する。
• 離散および連続の最適化ステップを活用して、数回の反復内で高速かつ単調収束を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統計的MIMOレーダとIBFD MU-MIMO通信システムをどのように共設計してスペクトラムを効果的に共有できるか。
• RQ2 レーダーと通信の目的を同時に捉える効果的な情報理論的性能指標は何か。
• RQ3 QoSおよびPAR制約を満たしつつ迅速に収束する実用的な最適化アルゴリズム（BCD-AP）は機能するか。
• RQ4 最適化されたレーダーコードとプリコーダは従来設計と比較してレーダ検出と通信データレートを改善するか。

主な発見

• 最適設計で、虚警率を一定に保った場合のレーダー検出確率が従来コードより最大で13%向上。
• 提案プリコーダ設計により、標準プリコーダと比較して通信データレートが最大で30%向上。
• 提案されたBCD-APアルゴリズムは数回の反復で単調収束を示す。
• フレームワークはUL/DL送信電力、UL/DL QoS（最小速度）、およびピーク対平均電力比の制約を統一設計で考慮する。
• 予備的な結果（初期のカンファレンス版）はプリコーダ設計に焦点を当て、本研究ではレーダーと通信の共同最適化へ拡張した。