[論文レビュー] MU-MIMO Communications with MIMO Radar: From Co-existence to Joint Transmission

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

Radar Systems and Signal Processing参考文献 34被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、1つの基地局が同時にマルチユーザーMIMO（MU-MIMO）下行リンク通信とレーダー感知を実行する、共同MIMOレーダー通信（RadCom）システムを提案する。すべてのアンテナを両方の機能に共有し、SINR制約をペナルティ項として組み込んだ重み付きビームフォーミング最適化を用いることで、従来の制約付き設計と比較して、特に共有展開下で顕著に計算複雑性が低減された近似的最適性能を達成する。

ABSTRACT

Beamforming techniques are proposed for a joint multi-input-multi-output (MIMO) radar-communication (RadCom) system, where a single device acts both as a radar and a communication base station (BS) by simultaneously communicating with downlink users and detecting radar targets. Two operational options are considered, where we first split the antennas into two groups, one for radar and the other for communication. Under this deployment, the radar signal is designed to fall into the null-space of the downlink channel. The communication beamformer is optimized such that the beampattern obtained matches the radar's beampattern while satisfying the communication performance requirements. To reduce the optimizations' constraints, we consider a second operational option, where all the antennas transmit a joint waveform that is shared by both radar and communications. In this case, we formulate an appropriate probing beampattern, while guaranteeing the performance of the downlink communications. By incorporating the SINR constraints into objective functions as penalty terms, we further simplify the original beamforming designs to weighted optimizations, and solve them by efficient manifold algorithms. Numerical results show that the shared deployment outperforms the separated case significantly, and the proposed weighted optimizations achieve a similar performance to the original optimizations, despite their significantly lower computational complexity.

研究の動機と目的

• 10 GHz未満の共有スペクトル帯におけるMIMOレーダーとMU-MIMO通信システムの共存課題に対処すること。
• 周波数的・ハードウェア的非効率性に苦しむ分離型レーダー・通信展開の限界を克服すること。
• 共有波形とビームフォーミングを活用して、同時にレーダー指向ビームパターン要件と通信のサービス品質（QoS）要件を満たす共同RadComシステムを設計すること。
• SINR制約を目的関数内にペナルティ項として組み込むことで、リーマン多様体アルゴリズムを用いた効率的な最適化を可能にする低複雑性ビームフォーミング解を構築すること。
• 共有展開が性能-複雑性トレードオフにおいて分離展開を上回りつつ、通信性能を安定的に維持できることを実証すること。

提案手法

• 2つの展開モードを提案：(1) レーダーと通信に分離したアンテナ、(2) 共同送信に共用するアンテナ。
• 共有展開の場合、レーダー指向ビームパターン要件と下り行MU-MIMOのSINR制約を両方満たす共同波形を設計する。
• 元の制約付きビームフォーミング問題を、SINR制約を目的関数内にペナルティ項として組み込んだ重み付き最適化問題に再定式化する。
• リーマン多様体上での効率的最適化を可能にするために、リーマン共役勾配（RCG）アルゴリズムを用いてビームフォーミング問題を解く。
• max SINRとsum-square SINRなどのペナルティ関数を用い、レーダー性能と通信信頼性のバランスを図る。
• ビームフォーマーを最適化し、レーダーの所望するビームパターンに一致させるとともに、通信SINRが目標閾値を満たすように保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共有アンテナ展開と分離アンテナ展開とを比較した場合、レーダー指向ビームパターンの正確性とMU-MIMO下り行SINR性能はどのように異なるか？
• RQ2 SINR制約をペナルティ項として目的関数に組み込むことで、システム性能が劣化することなく効果的に統合できるか？
• RQ3 共同RadComビームフォーミングにおいて、ペナルティ項を含む重み付き最適化と従来の制約付き最適化の性能-複雑性トレードオフはいかなるものか？
• RQ4 ペナルティベース最適化と制約付き最適化の両方を用いた場合、瞬間SINRの変動に対する感度はどの程度か？
• RQ5 リーマン多様体アルゴリズムを用いることで、共同RadComビームフォーミングにおける計算複雑性をどの程度低減できるか、かつ近似的最適性能を維持できるか？

主な発見

• 共有展開は、レーダー指向ビームパターン品質と下り行MU-MIMO SINRの両面において、分離展開を顕著に上回る性能-複雑性トレードオフを達成する。
• 提案された重み付き最適化は、元の制約付き最適化に非常に近い性能を達成し、計算複雑性を最大で1桁低減する。
• max SINRペナルティ定式化は、sum-square SINRペナルティ定式化よりも収束が速く、全体の複雑性も低くなる。
• 明示的な平均SINR制約があるにもかかわらず、$K=4$および$ ext{SNR}=18$ dB条件下で瞬間SINRは14 dBから22 dBの間で変動するが、実用的展開においては許容可能な変動とみなせる。
• 重み付き最適化の実行時間は、制約付き最適化の50%未満にまで短縮され、全功率制約下でのmaxペナルティ問題が最も速い収束を示す。
• 重み付き最適化の瞬間SINR分布は、制約付き最適化と比べてわずかに広がっているが、顕著な複雑性の増加を補って十分な利点があると評価される。