[論文レビュー] Transmit Precoder Design Approaches for Dual-Function Radar-Communication Systems

Jacob Pritzker, James Ward+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Radar Systems and Signal Processing被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、センシングにレーダ波形への依存を強いることで、レーダ検出性能を最優先するMIMO二機能レーダ・通信（DFRC）システムの新しい送信プレコーダ設計手法を提案する。滞在時間ベースのレーダ検出モデルと新たなレーダ固有の指標を用いることで、ユーザーが定めたレーダまたは通信性能レベルを保証し、柔軟なサブシステム優先順位付けと、先行研究に比べて向上した自己相関関数の近似を実現する。

ABSTRACT

As radio-frequency (RF) antenna, component and processing capabilities increase, the ability to perform multiple RF system functions from a common aperture is being realized. Conducting both radar and communications from the same system is potentially useful in vehicular, health monitoring, and surveillance settings. This paper considers multiple-input-multiple-output (MIMO) dual-function radar-communication (DFRC) systems in which the radar and communication modes use distinct baseband waveforms. A transmit precoder provides spatial multiplexing and power allocation among the radar and communication modes. Multiple precoder design approaches are introduced for a radar detection mode in which a total search volume is divided into dwells to be searched sequentially. The approaches are designed to enforce a reliance on radar waveforms for sensing purposes, yielding improved approximation of desired ambiguity functions over prior methods found in the literature. The methods are also shown via simulation to enable design flexibility, allowing for prioritization of either subsystem and specification of a desired level of radar or communication performance.

研究の動機と目的

• スペクトル混雑を軽減するため、レーダと通信の両方の用途でRFスペクトルを共有利用可能にする二機能システムによる実現。
• 通信を優先するか、波形埋め込みに依存する既存のDFRC手法の限界を克服するため、滞在時間ベースの探索モデルにおいてレーダ検出に焦点を当てる。
• ユーザーが指定したレベルのレーダまたは通信性能を保証するプレコーダ設計を開発する。これにより、サブシステムの優先順位付けが柔軟に可能となる。
• 高品質なレーダ波形への依存を強いることで、感度の向上を図り、望ましい自己相関関数の近似を改善する。
• 既存のビームフォーミングベースのDFRC手法を拡張し、初期ターゲット検出に適した新たなレーダ固有の性能指標を導入する。

提案手法

• 逐次滞在時間におけるレーダ検出に特化した、設計されたビームパターンと望ましいビームパターンとの平均二乗誤差（MSE）に基づく新しいレーダ指標を導入。
• MSE指標を制約することで、ユーザーが定めたレベルのレーダ性能を保証するレーダ保証法を構築し、凸最適化問題として定式化。
• 通信ユーザーの最小必要SINR（信号対インターフェレンス＋ノイズ比）を維持しながらも、レーダ性能を保持する通信保証法を提案。
• 半定値緩和と固有値分解を用いて、実行可能で保証された解が得られる、取り扱い可能な凸最適化問題にプレコーダ設計問題を変換。
• 二段階構造のプレコーダを採用：一方はレーダビームパターン形成に、もう一方はビームフォーミングによる通信信号の空間多重化に使用。
• 緩和問題の解から実際の送信プレコーダ行列を回復するため、共分散行列からビームフォーマへの変換を適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 滞在時間ベースの検出設定において、DFRCシステムは通信機能を維持したまま、保証されたレーダ性能を達成できるか？
• RQ2 レーダまたは通信サブシステムの優先順位付けを可能にすることで、DFRCシステムの設計の柔軟性はどの程度向上するか？
• RQ3 提案手法は、先行手法に比べて、望ましい自己相関関数の近似をどの程度改善するか？
• RQ4 ビームパターンMSEに基づく新しいレーダ指標は、初期ターゲット検出の場面で、既存の指標を上回る性能を示せるか？
• RQ5 レーダ波形への依存を強いることで、共同レーダ・通信システム全体の性能と耐障害性はどの程度変化するか？

主な発見

• 提案されたレーダ保証法は、ユーザーが指定したレベルのレーダ性能を達成でき、シミュレーション結果では、MSEの観点から、先行手法に比べて優れたビームパターン近似が得られた。
• 通信保証法は、高いレーダ出力制約下でも、すべての通信ユーザーに対して最小SINR閾値を確実に維持できた。
• これらの手法により、アプリケーション固有のニーズに応じて、レーダまたは通信サブシステムの優先順位付けが柔軟に可能となった。
• シミュレーションにより、特に高い方位分散や低SNRの状況下で、既存手法に比べて望ましい自己相関関数の近似が著しく改善された。
• 凸最適化問題の実行可能性が数学的に証明され、標準ソルバーを用いて効率的に解が計算可能であることが保証された。
• 共分散行列からビームフォーマへの変換が、性能保証を保持していることが示され、プレコーダ設計の実装が実用的になった。