[論文レビュー] JCR70: A Low-Complexity Millimeter-Wave Proof-of-Concept Platform for A Fully-Digital MIMO Joint Communication-Radar

Preeti Kumari, Amine Mezghani+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2020

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、71–76 GHz帯で動作する、スライディングアンテナ構成を用いてワイドバンドMIMO動作を模擬する、低複雑性で完全デジタルなMIMO共同通信レーダー（JCR）プロトタイプ・プラットフォームJCR70を提示する。2–4ビット量子化受信機が高分解能ADCと同等の性能を達成することを実証し、帯域幅と合成アパーチャーの大きさのおかげで、JCR70はRadarbookよりも距離分解能および角度分解能に優れている。

ABSTRACT

A fully-digital wideband joint communication-radar (JCR) with a multiple-input-multiple-output (MIMO) architecture at the millimeter-wave (mmWave) band will enable high joint communication and radar performance with enhanced design flexibility. A quantized receiver with few-bit analog-to-digital converters (ADCs) will enable a practical JCR solution with reduced power consumption for futuristic portable devices and autonomous vehicles. In this paper, we present a joint communication-radar proof-of-concept platform, named JCR70, to evaluate and demonstrate the performance of these JCR systems using real channel measurements in the 71-76 GHz band. We develop this platform by extending a mmWave communication set-up with an additional full-duplex radar receiver and by capturing the MIMO JCR channel using a moving antenna on a sliding rail. To characterize the JCR performance of our developed tested, we conduct several indoor and outdoor experiments and apply traditional as well as advanced processing algorithms on the measured data. Additionally, we compare the performance of our JCR70 platform with the INRAS Radarbook, which is a state-of-the-art automotive radar evaluation platform at 77 GHz. The results demonstrate that a quantized receiver with 2-4 bit ADCs generally performed quite close to the high-resolution ADC for a signal-to-noise ratio of up to 5 dB. Our JCR70 platform with a fully digital JCR waveform at 73 GHz and 2 GHz bandwidth achieved higher resolution capability than the Radarbook due to higher bandwidth and larger synthesized antenna aperture.

研究の動機と目的

• ミリ波周波数帯における完全デジタルでワイドバンドMIMO JCRテストベッドの開発。通信とレーダーの統合応用を目的とする。
• 実世界のチャネル測定を用いて、低分解能ADC（2–4ビット）が実用的JCRシステムで果たす性能を評価すること。
• 77 GHz帯の最先端のRadarbook自動車レーダープラットフォームと比較して、JCR70プラットフォームの分解能および精度を評価すること。
• チャネル推定の向上に寄与する高度な処理アルゴリズム（例：BG-GAMP）の有効性を検証すること。
• 1つのハードウェアプラットフォームで同時に高精度な通信とレーダー感知を実現可能であることを実証すること。

提案手法

• 1本のRFチェーンと高速ADCを直線的経路に沿って移動させることで、完全デジタルMIMOアレイを模擬するスライディングレール機構を採用。これによりワイドバンドチャネルサウンディングが可能となる。
• ミリ波通信テストベッドとフルデュプレックスレーダー受信機を統合し、共同運用のための同時送受信を実現。
• 複数の散乱体（三面角反射板、自転車、自動車など）を含む屋内および屋外環境で、実世界のチャネル測定を収集。
• 従来のFFTベース処理と、高度なスパースベイズ処理（BG-GAMP）を用いて、収集データからレーダーおよび通信チャネルを推定。
• ADC分解能は受信信号データの量子化によりエミュレートされ、ハードウェア変更なしに低分解能受信機の性能評価が可能となる。
• さまざまな信号対雑音比（SNR）において、レーダーチャネルおよび通信チャネルの両方について、正規化平均二乗誤差（NMSE）を用いて性能を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 71–76 GHz帯で、移動アンテナ構成を用いた低複雑性で完全デジタルMIMO JCRプラットフォームを実用的に実現可能か？
• RQ2 実世界のJCRシステムにおいて、2–4ビットADCの性能は高分解像ADCと比べてどの程度か？
• RQ3 高度な処理（例：BG-GAMP）は、共同通信レーダーシステムにおけるチャネル推定精度をどの程度向上させるか？
• RQ4 JCR70プラットフォームの分解能およびダイナミックレンジは、77 GHz帯の最先端のRadarbookと比べてどの程度か？
• RQ5 1方向通信チャネルと比較して、2方向レーダーチャネルはNMSE性能にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 3ビットADC受信機は、特に低SNR条件下で高分解像ADCケースと非常に近いレーダーおよび通信性能を達成した。
• JCR70プラットフォームは、2 GHz帯域幅とより大きな合成アパーチャーのおかげで、Radarbookよりも高い距離分解能および角度分解能を達成した。
• レーダーチャネルのNMSEは通信チャネルよりも高かった。これは、レーダーで2パス伝搬路が発生し、SNRが低下するためである。
• 低分解像ADCと高分解像ADCの性能差は、SNRが高い状態およびチャネルのスパarsityが低い状況で顕著に拡大し、特に1ビットADCでは顕著であった。
• BG-GAMP処理は、従来のFFTベース処理と比較して、チャネル推定における sidelobe と雑音を低減し、画像品質を向上させた。
• フルデュプレックス効果は、レーダーチャネル推定において明確に観察され、直接パスが1.75 m、反射パスが3.613 mおよび4.98 mに位置しており、システムの正常な機能を裏付けた。