[論文レビュー] Radar Precoder Design for Spectral Coexistence with Coordinated Multi-point (CoMP) System

Jasmin A. Mahal, Awais Khawar+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2015

Radar Systems and Signal Processing参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、MIMOレーダとCoMPセルラーネットワークの周波数共存を実現するための新規レーダプリコーダ設計を提案する。Switched Small Singular Value Space Projection（SSSVSP）を用いて、干渉を最小限に抑えつつレーダの性能を維持する。SSSVSPは従来のSwitched Null Space Projection（SNSP）と比較して、レーダの性能損失を低減することが示された。特に、チャネル推定誤差が存在する状況下でも、レーダアンテナ素子数の増加により、ターゲット推定精度が著しく向上する。

ABSTRACT

This paper details the design of precoders for a MIMO radar spectrally coexistent with a MIMO cellular network. We focus on a coordinated multi-point (CoMP) system where a cluster of base stations (BSs) coordinate their transmissions to the intended user. The radar operates in two modes, interference-mitigation mode when it avoids interference with the CoMP system and cooperation mode when it exchanges information with it. Using either the conventional Switched Null Space Projection (SNSP) or the newly proposed Switched Small Singular Value Space Projection (SSSVSP), the radar beam sweeps across the BS clusters focusing on the optimal ones, optimal in either nullity or difference between the precoded and original radar signal. Taking the channel estimation error into account, the design of precoder is pivoted on the minimal radar interference at the BS clusters during interference-mitigation mode and minimal bit-error-rate at the BSs during cooperation mode while interfering minimally with the radar target detection capability. Our investigation shows that loss in radar performance can be compensated using SSSVSP instead of SNSP to some extent but increasing the number of radar antenna elements goes a long way to serve the purpose. Simulations verify our theoretical predictions about the proposed SSSVSP.

研究の動機と目的

• MIMOレーダとCoMPセルラーネットワークの間で、共有周波数帯で運用される際の周波数共存の課題を解決すること。
• 干渉低減モード下で、CoMP基地局（BS）クラスタへのレーダ干渉を最小限に抑えつつ、レーダのターゲット検出能力を維持すること。
• BSでのビット誤り率（BER）を最小限に抑える協調モード用プリコーダを設計し、レーダ性能を劣化させないこと。
• 両運用手順におけるチャネル推定誤差が、レーダおよび通信システムの性能に与える影響を評価すること。
• SNSPと提案手法のSSSVSPを、ターゲット推定と干渉低減の観点から性能比較すること。

提案手法

• レーダは、干渉低減モードと協調モードの2通りの動作モードを有する。
• 干渉低減モードでは、レーダがCoMPクラスタに有害な干渉を避けるために、クラスタごとにビームスイープを実行し、最大のノルム（SNSP）またはプリコーディング信号と元のレーダ信号との偏差が最小（SSSVSP）であるクラスタを選択する。
• SSSVSP手法は、チャネル行列の小さな特異値空間にレーダビームを投影することで、元のレーダ信号の歪みを最小限に抑えつつ、BSクラスタでの干渉を抑制する。
• 協調モードでは、BERを最小限に抑えるために、ゼロフォーシング（ZF）および最小分散平均二乗誤差（MMSE）基準に基づくプリコーダを設計する。
• チャネル推定誤差を明示的にモデル化し、実運用環境におけるロバスト性を確保するため、プリコーダ設計に組み込む。
• 性能評価には、ターゲット方向推定のCramér-Rao Bound（CRB）と通信システムのBERを用い、レーダおよびBSアンテナ素子数の変動を想定したシミュレーションを実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 提案手法のSSSVSPは、SNSPと比較して、CoMP基地局クラスタへの干渉をどれほど低減できるか。また、ターゲット検出精度はどの程度維持されるか。
• RQ2 チャネル推定誤差が存在する状況下で、SSSVSPはプリコーディングによるレーダ性能劣化をどの程度低減できるか。
• RQ3 干渉低減モードおよび協調モードの両方において、レーダアンテナ素子数の増加がターゲット推定性能に与える影響は何か。
• RQ4 協調モードにおいて、ZFとMMSEプリコーディング方式は、BER性能およびエネルギー効率の観点から、どのように比較できるか。
• RQ5 ZFとMMSEプリコーダの性能差は、レーダアンテナ素子数の増加によって是正可能か。

主な発見

• SSSVSPは、元のレーダ信号の構造をよりよく保持するため、SNSPと比較してレーダ性能損失が低減される。特に、最悪ケースにおいて顕著な改善が得られる。
• ターゲット方向推定のCramér-Rao Bound（CRB）は、レーダアンテナ素子数の増加に伴い著しく改善され、特にSSSVSPを用いる場合に顕著である。
• 協調モードでは、信号対雑音比（ρ）が低い領域においてZFプリコーディングがBER性能でMMSEを上回るが、レーダアレイサイズが増加するにつれて性能差は縮小する。
• プリコーディングとチャネル推定誤差による性能劣化を補償するには、SSSVSP単体よりも、レーダアンテナ素子数の増加がより効果的である。
• シミュレーションにより、SNSPおよびSSSVSPの両方がBSクラスタへの干渉を低減することが確認されたが、SSSVSPは特にレーダ性能をよりよく維持しており、特にレーダ素子数が26を超えた場合には顕著である。
• レーダアンテナ素子数を26から100に増加させることで、協調モードにおけるZFとMMSEプリコーダの性能差が顕著に縮小され、アレイサイズが周波数共有の耐障害性を高める重要な要因であることが示された。