[論文レビュー] Interference Exploitation for Radar and Cellular Coexistence: The Power-Efficient Approach

Fan Liu, Christos Masouros+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2017

Radar Systems and Signal Processing参考文献 38被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、MIMOレーダとダウンリンクマルチユーザーMIMO（MU-MISO）セルラーシステムの共存のための、エネルギー効率の高いビームフォーミング方式を提案する。この方式は、建設的マルチユーザー干渉（MUI）を活用することで、有用なMUIをノイズではなくリソースとして扱う。これにより、SINRおよび干渉対ノイズ比（INR）制約を満たしたまま送信基地の送信電力を最小化し、従来のSDRベースの手法と比較して顕著な電力節約と、不完全なCSI下でのより高いロバストネスを達成する。

ABSTRACT

We propose a novel approach to enable the coexistence between Multi-Input-Multi-Output (MIMO) radar and downlink multi-user Multi-Input-Single-Output (MU-MISO) communication system. By exploiting the constructive multi-user interference (MUI), the proposed approach trades-off useful MUI power for reducing the transmit power, to obtain a power efficient transmission. This paper focuses on two optimization problems: a) Transmit power minimization at the base station (BS) while guaranteeing the receive signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) level of downlink users and the interference-to-noise ratio (INR) level to radar; b) Minimization of the interference from BS to radar for a given requirement of downlink SINR and transmit power budget. To reduce the computational overhead of the proposed scheme in practice, an algorithm based on gradient projection is designed to solve the power minimization problem. In addition, we investigate the trade-off between the performance of radar and communication, and analytically derive the key metrics for MIMO radar in the presence of the interference from the BS. Finally, a robust power minimization problem is formulated to ensure the effectiveness of the proposed method in the case of imperfect Channel State Information (CSI). Numerical results show that the proposed method achieves a significant power saving compared to conventional approaches, while obtaining a favorable performance-complexity trade-off.

研究の動機と目的

• MIMOレーダとダウンリンクマルチユーザーMIMO（MU-MISO）セルラーシステムの間のスペクトル共有の課題に取り組む。両者の相互干渉が共存を制限する。
• 従来の干渉低減技術がすべてのマルチユーザー干渉（MUI）を有害なものとみなすという制限を克服し、MUIを建設的リソースとして再定義する。
• 不完全なチャネル状態情報（CSI）下でも性能を維持できるロバストなビームフォーミング設計を開発する。特に、送信基地からレーダへの干渉チャネルについて。
• 効率的な勾配射影法を導入することで、パワーミニマイゼーション問題の性能と複雑さのトレードオフを良好に実現する。
• レーダ検出性能と通信品質のトレードオフを定量化し、MUI下でのレーダ指標について解析的表現を導出する。

提案手法

• MU-MISOダウンリンクシステムにおける建設的マルチユーザー干渉（CI）を活用する、新たなプレフォーキング最適化フレームワークを提案。送信基地の送信電力を低減する。
• SINR制約を緩和するために、制御された建設的MUIを許容することで、パワーミニマイゼーション問題を再定式化。これにより、ユーザーのQoSを維持したまま送信電力を低減可能。
• 非凸なパワーミニマイゼーション問題を効率的に解くための勾配射影ベースのアルゴリズムを設計。半定値緩和（SDR）手法と比較して計算複雑度を低減。
• 送信基地からの干渉が存在する状況下で、方向角到着（DoA）推定のためのレーダ検出確率およびCramér-Rao下限（CRB）の解析的表現を導出。
• 特に送信基地からレーダへの干渉チャネル（チャネルF）の不完全なCSIに対応するため、最も悪い状況最適化を用いたロバストビームフォーミング設計を構築。
• 検出性能を評価するためにガウス型レーダ検出器モデルを用い、性能解析における漸近的近似の有効性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MU-MISOシステムにおけるマルチユーザー干渉（MUI）の建設的干渉を活用することで、ユーザーのSINRとレーダのINR要件を満たしたまま、送信基地の送信電力を低減できるか？
• RQ2 MUIの活用が、共存システムにおけるレーダ検出性能と通信品質のトレードオフに与える影響は何か？
• RQ3 特に送信基地からレーダへの干渉チャネルにおける不完全なCSI（特にチャネルF）が、提案されたビームフォーミング方式の性能に与える影響は？
• RQ4 提案された勾配射影アルゴリズムは、LTEのような実用的システムにおいて、SDRベースのソルバーと同等またはより高い計算効率を達成できるか？
• RQ5 干渉の活用に基づくロバストビームフォーマーは、チャネル推定誤差下で、従来のSDRベースのビームフォーマーをどれほど上回るか？

主な発見

• 目標となるレーダ検出確率0.9の条件下で、従来のSDRベースのビームフォーミングと比較して、提案された建設的干渉（CI）ベースのビームフォーミングは、必要な送信電力で4 dBの利得を達成する。
• CIベースの手法は、特にダウンリンクユーザーのSINR要件が高い状況下で、SINRとDoA推定精度の両面で、SDRベースのビームフォーミングを顕著に上回る。
• 勾配射影アルゴリズムは、SDRベースのソルバーと同等の平均実行時間を達成しており、LTEのようなシステムにおけるリアルタイム実装の計算的妥当性を示している。
• 干渉の活用に基づくロバストビームフォーマーは、CSI誤差下でも性能を維持する。CIベースの手法は、SDRベースの手法と比較して、チャネル推定誤差により高い耐性を示す。
• 送信基地からレーダへの干渉チャネル（F）の推定が、他のチャネル（HとG）よりも不正確であっても、性能が劣化しない。CI手法はFの誤差に対してよりロバストである。
• MUI下でのレーダ検出確率およびCramér-Rao下限（CRB）の解析的表現は、シミュレーションにより妥当性が検証され、漸近的結果とシミュレーション結果の間できつい一致が確認された。