[論文レビュー] Hybrid Beamforming in mmWave Dual-Function Radar-Communication Systems: Models, Technologies, and Challenges

Ziyang Cheng, Linlong Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2022

Antenna Design and Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ミリ波双機能レーダー通信（DFRC）システムにおけるハイブリッドビームフォーミング（HBF）を提案し、高いスペクトル効率・エネルギー効率を実現するとともに、ハードウェアコストを低減することを目的としている。レーダー感知と通信を共有されたハードウェアおよび信号処理により統合することで、HBFは制限されたRFチェーンと位相シフト器を用いてマルチユーザー通信とターゲット検出を可能にし、6Gネットワークにおける性能と複雑さの良好なトレードオフを達成する。

ABSTRACT

As a promising technology in beyond-5G (B5G) and 6G, dual-function radar-communication (DFRC) aims to ensure both radar sensing and communication on a single integrated platform with unified signaling schemes. To achieve accurate sensing and reliable communication, large-scale arrays are anticipated to be implemented in such systems, which brings out the prominent issues on hardware cost and power consumption. To address these issues, hybrid beamforming (HBF), beyond its successful deployment in communication-only systems, could be a promising approach in the emerging DFRC ones. In this article, we investigate the development of the HBF techniques on the DFRC system in a self-contained manner. Specifically, we first introduce the basics of the HBF based DFRC system, where the system model and different receive modes are discussed with focus. Then we illustrate the corresponding design principles, which span from the performance metrics and optimization formulations to the design approaches and our preliminary results. Finally, potential extension and key research opportunities, such as the combination with the reconfigurable intelligent surface, are discussed concisely.

研究の動機と目的

• ミリ波双機能レーダー通信（DFRC）システムにおける大規模アレイの高コストおよび高消費電力の問題に対処する。
• RFチェーンの数を削減しながらも、レーダーおよび通信性能を維持するためのハイブリッドビームフォーミング（HBF）を検討する。
• センシングと通信の統合信号処理を有するHBFベースのDFRCのためのシステムモデルおよび設計原則を開発する。
• 実用的制約下でのデジタルおよびアナログビームフォーマーの共同最適化における主な課題を特定する。
• 再構成可能インテリジェント表面（RIS）やOTFS変調との統合を含む未来的な拡張を検討する。

提案手法

• Nt送信アンテナおよびNr受信アンテナを備えたHBFベースのDFRCのためのシステムモデルを提案し、それぞれNt_RFおよびNr_RFのRFチェーンを用いる。
• フル、パーシャル、ダイナミック接続の3種類のアナログビームフォーミングアーキテクチャを実装し、それぞれが異なるハードウェアと性能のトレードオフを持つ。
• レーダー波束パターンの直接性、通信レート、エネルギー効率といった性能指標に基づいて最適化問題を定式化する。
• HBF設計に低リソリューションADC/DACを統合し、消費電力とコストを低減する。その影響がシステム性能に与える影響を分析する。
• RIS支援DFRCシステムにおける共同アクティブ（HBF）およびパッシブ（RIS）ビームフォーミングを検討し、ビーム精度とカバレッジを向上させる。
• 高移動度環境におけるドッパー拡散および子搬送波干渉を低減するため、OTFS変調DFRCシステム向けのHBF設計を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DFRCシステムにおけるハイブリッドビームフォーミングをどのようにモデル化することで、レーダー感知と通信性能を同時に最適化できるか？
• RQ2 アナログビームフォーマーのアーキテクチャ（フル、パーシャル、ダイナミック）が、HBF-DFRCにおけるシステム性能およびハードウェア効率に与える影響は何か？
• RQ3 低リソリューションADC/DACは、ミリ波HBF-DFRCシステムにおける性能-エネルギー効率トレードオフにどのように影響を与えるか？
• RQ4 HBF-DFRCに再構成可能インテリジェント表面（RIS）を統合する際の課題と機会は何か？ビームフォーミングとカバレッジの向上に寄与するか？
• RQ5 高移動度環境におけるドッパー拡散および子搬送波干渉に対処するため、HBFをOTFS変調DFRCシステムにどのように適合できるか？

主な発見

• HBFを用いたDFRCシステムは、限定された数のRFチェーンと位相シフト器を用いることで、システム性能とハードウェアコストの良好なトレードオフを達成する。
• アナログビームフォーミングにおけるダイナミック接続アーキテクチャは、フル接続およびパーシャル接続と比較して、性能とエネルギー効率のバランスに優れている。
• HBF-DFRCシステムにおける低リソリューションADC/DACは、低SNR条件下で理想量子化システムと同等の性能を達成でき、エネルギー効率の向上に寄与する。
• HBFと低リソリューションADC/DACの共同最適化は、最適な性能-エネルギー効率トレードオフを達成するために不可欠であるが、現状では十分に検討されていない。
• RIS支援HBF-DFRCシステムは、ビーム精度と空間多重性を向上させられるが、アクティブおよびパッシブビームフォーミングの間の結合性のため、高度な最適化を要する。
• OTFSベースのHBF-DFRCシステムは、広帯域動作に起因するデジタルおよびアナログビームフォーマー間の強い結合性を示すため、大規模な遅延-Dopplerブロックに対応する低複雑度設計が不可欠である。