[論文レビュー] Optimal Transmit Beamforming for Integrated Sensing and Communication

Haocheng Hua, Jie Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2021

Radar Systems and Signal Processing参考文献 46被引用数 33

ひとこと要約

本論文は、下りリンクISAC送信ビームフォーミングを多素子基地局で設計し、情報信号と専用レーダ信号をSINRおよび電力制約の下で共同最適化する。新しい最小加重ビームパターン利得基準と、SDRに基づく全局最適解を持つ2つの受信機タイプを導入する。

ABSTRACT

This paper studies the transmit beamforming in a downlink integrated sensing and communication (ISAC) system, where a base station (BS) equipped with a uniform linear array (ULA) sends combined information-bearing and dedicated radar signals to simultaneously perform downlink multiuser communication and radar target sensing. Under this setup, we maximize the radar sensing performance (in terms of minimizing the beampattern matching errors or maximizing the minimum weighted beampattern gains), subject to the communication users' minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) requirements and the BS's transmit power constraints. In particular, we consider two types of communication receivers, namely Type-I and Type-II receivers, which do not have and do have the capability of cancelling the interference from the {\emph{a-priori}} known dedicated radar signals, respectively. Under both Type-I and Type-II receivers, the beampattern matching and minimum weighted beampattern gain maximization problems are globally optimally solved via applying the semidefinite relaxation (SDR) technique together with the rigorous proof of the tightness of SDR for both Type-I and Type-II receivers under the two design criteria. It is shown that at the optimality, radar signals are not required with Type-I receivers under some specific conditions, while radar signals are always needed to enhance the performance with Type-II receivers. Numerical results show that the minimum weighted beampattern gain maximization leads to significantly higher beampattern gains at the worst-case sensing angles with a much lower computational complexity than the beampattern matching design. We show that by exploiting the capability of canceling the interference caused by the radar signals, the case with Type-II receivers results in better sensing performance than that with Type-I receivers and other conventional designs.

研究の動機と目的

• 多素子ビームフォーミングを用いた下りリンク無線システムにおけるセンシングと通信の統合を動機づける。
• 各ユーザのSINR要件を満たしつつ、情報信号と専用レーダ信号を共同最適化してセンシング性能を向上させる。
• 2つのセンシング設計基準と2つの受信機タイプを比較し、SDRが全局最適解を与える条件を確立する。
• ISACにおける専用レーダ信号の利点を示し、LOS条件下でそれらが不要となる場合を分析する。

提案手法

• BSを一様直列配列でモデル化し、Kユーザへ情報信号を送信し、共分散Rdを持つ専用レーダ信号を加える。
• SINR制約と電力制限の下で、ビームパターンマッチング(P1)と最小加重ビームパターン利得最大化(P2)という2つの非凸最適化問題を定式化する。
• SDRを可能にするために T_k = t_k t_k^H を導入し、(P1.1)と(P2.1)として再定式化する。
• すべての T_k と Rd に対してランク1最適性を示す命題を通じてSDRのタイト性を証明し、Gaussian randomizationの必要性を排除する。
• レーダ干渉をキャンセルできないType-I受信機と、事前に知っているレーダ信号をキャンセルできるType-II受信機を定義し、対応するSINR式を導出する。
• 専用レーダ信号の利得を示すため、レーダ信号のない基準設計と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SDRは、専用レーダ信号を伴う非凸ビームパターン設計問題に対して全局最適解を提供できるか。
• RQ2 Type-IおよびType-II受信機で、ビームパターンマッチングおよび最小加重ビームパターン利得設計の下で、ISAC性能はどう異なるか。
• RQ3 専用レーダ信号を組み込むことは、SINR制約下でビームパターンを一貫して改善するか、どのチャネル条件下で不要となる可能性があるか。
• RQ4 最小加重ビームパターン利得最大化設計は、従来のビームパターンマッチングと比較してセンシング性能と計算複雑度の点でどう比較されるか。
• RQ5 4つの設計(P1 vs P2、Type-I vs Type-II受信機)と、レーダ信号なしの設計の間の基本的な性能関係はどうなるか。

主な発見

• 4つの問題に対するSDRがタイトで、全局最適なランク1解を得ることが証明されている。
• 専用レーダ信号は、設計と受信機タイプを問わず、空間自由度を最大限活用することでISAC性能を一般的に改善する。
• Type-II受信機では、レーダ干渉キャンセルがType-I受信機および従来設計よりも優れたセンシング性能をもたらす。
• 最小加重ビームパターン利得最大化設計は、関心角でより強いビームパターン利得を得られ、ビームパターンマッチングより計算複雑度が低い。
• LOS条件下のType-I受信機では、専用レーダ信号は不要となる可能性があり、設計はチャネル条件に依存する。
• 数値結果は、最小加重設計がビームパターンマッチングよりセンシング品質と計算速度の両面で優れていることを示す。