[論文レビュー] Rate-Splitting Multiple Access for Multi-Antenna Joint Radar and Communications

Chengcheng Xu, Bruno Clerckx+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2021

Radar Systems and Signal Processing参考文献 37被引用数 160

ひとこと要約

本稿では、通信レートとレーダー指向性パターンの一致を共同最適化する、マルチアンテナ双機能レーダー通信（DFRC）システムにRate-Splitting Multiple Access（RSMA）を援用した新規アーキテクチャを提案する。RSMAにおける共通ストリームを活用して、ユーザー間の干渉およびレーダーと通信の間の干渉を管理することで、重み付き和レート（WSR）と指向性パターン近似MSEの間の優れたトレードオフ性能を達成する。これは、専用のレーダー信号を必要とせず、SICも不要であるため、性能に損なわれることなくシステムアーキテクチャを簡素化する。従来のSDMAベースのDFRC（専用レーダー信号を有する・なしを問わず）を上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Dual-Functional Radar-Communication (DFRC) system is an essential and promising technique for beyond 5G. In this work, we propose a powerful and unified multi-antenna DFRC transmission framework, where an additional radar sequence is transmitted apart from communication streams to enhance radar beampattern matching capability, and Rate-Splitting Multiple Access (RSMA) is adopted to better manage the interference. RSMA relies on multi-antenna Rate-Splitting (RS) with Successive Interference Cancellation (SIC) receivers, and the split and encoding of messages into common and private streams. We design the message split and the precoders of the radar sequence and communication streams to jointly maximize the Weighted Sum Rate (WSR) and minimize the radar beampattern approximation Mean Square Error (MSE) subject to the per antenna power constraint. An iterative algorithm based on Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM) is developed to solve the problem. Numerical results first show that RSMA-assisted DFRC achieves a better tradeoff between WSR and beampattern approximation than Space-Division Multiple Access (SDMA)-assisted DFRC with or without radar sequence, and other simpler radar-communication strategies using orthogonal resources. We also show that the RSMA-assisted DFRC frameworks with and without radar sequence achieve the same tradeoff performance. This is because that the common stream is better exploited in the proposed framework. The common stream of RSMA fulfils the triple function of managing interference among communication users, managing interference between communication and radar, and beampattern approximation. Therefore, by enabling RSMA in DFRC, the system performance is enhanced while the system architecture is simplified since there is no need to use additional radar sequence and SIC. We conclude that RSMA is a more powerful multiple access for DFRC.

研究の動機と目的

• 5G以降におけるスケジューリングの制約を克服するため、双機能レーダー通信（DFRC）システムを用いたセンシングと通信の統合（ISAC）を実現すること。
• 空間多重アクセス（SDMA）に基づく従来のDFRC手法に見られる、レーダー機能と通信機能の間の干渉管理および通信ユーザー間の干渉管理の困難さを克服すること。
• アンテナごとの電力制約下で、重み付き和レート（WSR）を最大化するとともに、レーダー指向性パターン近似の平均二乗誤差（MSE）を最小化する統合的送信フレームワークを開発すること。
• RSMAが共通ストリームを活用することで、複数の役割（干渉管理、指向性パターン形成、通信多重）を果たすことで、専用のレーダー信号の必要性を排除できることを示すこと。

提案手法

• メッセージを共通ストリームとプライベートストリームに分割する新しいRSMAベースのDFRCアーキテクチャを提案し、共通ストリームを用いてレーダー指向性パターンを形成する。
• アンテナごとの電力制約下で、WSRの最大化とMSEの最小化を同時に最適化するように、レーダー信号、共通ストリーム、プライベートストリームのプレコーディングを共同で設計する。
• 受信側でRate-Splitting（RS）と逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用い、共通ストリームを復調し、干渉を選択的にキャンセルする。
• WSR最大化とMSE最小化を統合した非凸最適化問題を定式化し、交替方向乗数法（ADMM）アルゴリズムを用いて解く。
• SIC受信機を統合し、レーダーと通信の間の干渉だけでなく、通信ユーザー間の干渉に対しても管理可能にし、共通ストリームの二重目的機能を活用する。
• 共通ストリームを仮想的なレーダー波形として機能させ、別個のレーダー信号の必要性を排除しつつ、指向性パターンの正確性を維持または向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RSMAは、従来のSDMAベースのDFRCと比較して、通信レートとレーダー指向性パターンの正確性のトレードオフを改善するために、マルチアンテナDFRCに効果的に適用可能か？
• RQ2 RSMAの共通ストリームは、通信ユーザー間の干渉とレーダーと通信の間の干渉を同時に管理でき、その結果、別個のレーダー信号の必要性を排除できるという独自の利点を持つのか？
• RQ3 SICが使用される状況において、RSMAを用いたDFRCの性能は、SDMAを用いたDFRC（専用レーダー信号を有する・なしを問わず）と比較してどのように異なるか？
• RQ4 RSMAにおけるSIC受信機は、通信ユーザー間の干渉とレーダーと通信の間の干渉の両方を同時にキャンセルするために活用可能であり、その結果、システム設計が簡素化されるのか？
• RQ5 共通ストリームが指向性パターン近似に果たす役割の影響は何か？ また、その性能は専用レーダー信号と同等の水準に達しているか？

主な発見

• 専用レーダー信号を必要としないRSMAベースのDFRCは、レーダー信号を有するRSMAベースのDFRCと同等のWSR-指向性パターンMSEトレードオフ性能を達成しており、共通ストリームがレーダー信号を完全に置き換えられることを示している。
• RSMAにおける共通ストリームは三重の機能を果たす：通信ユーザー間の干渉管理、レーダーと通信の間の干渉管理、およびレーダー指向性パターンの形成。
• RSMAは、SICを有する・なしを問わず、SDMAベースのDFRCを上回る性能を発揮し、特にα < 0.78の範囲でWSRとMSEのトレードオフにおいて顕著な性能向上が観察される。
• RSMAにおけるSIC受信機は、ユーザー間の干渉とレーダーと通信の間の干渉の両方を効果的にキャンセルするための二重目的干渉キャンセレーションに活用可能であり、スペクトル効率の向上とシステムの簡素化を実現する。
• 数値結果により、ADMMベースのアルゴリズムが約10イタレーションで収束することが確認され、非凸問題の効率的かつ安定的な最適化が可能であることが示された。
• RSMAベースのDFRCにおいて専用レーダー信号が存在しないことで、共通ストリームがレーダー信号の役割を代替するため、性能に損なわれることなくシステムアーキテクチャが簡素化される。