[論文レビュー] Waveform Design for Joint Sensing and Communications in the Terahertz Band.

Tianqi Mao, Jiaxuan Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 42被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、太赫茲（THz）帯における連合レーダおよび通信（JRC）のための、新たなマルチサブバンド準完全（MS-QP）シーケンスおよびそのデータ埋め込み型変種（DE-MS-QP）を提案する。サブバンド全体にわたるZadoff-Chu（ZC）部分シーケンスを活用し、ドップラー効果を低減するためのルートインデックスを最適化することで、波形は正確なターゲット検知と高レート通信を実現する。また、低コストのアナログ・デジタル変換器（A/D）を用いることで、干渉のない同時運用と柔軟なスペクトル割り当てを達成する。

ABSTRACT

The convergence of radar sensing and communication applications in the terahertz (THz) band has been envisioned as a promising technology, since it incorporates terabit-per-second (Tbps) data transmission and mm-level radar sensing in a spectrum- and cost-efficient manner, by sharing both the frequency and hardware resources. However, the joint THz radar and communication (JRC) system faces considerable challenges, due to the peculiarities of the THz channel and front ends. To this end, the waveform design for THz-JRC systems with ultra-broad bandwidth is investigated in this paper. Firstly, by considering THz-JRC systems based on the co-existence concept, where both functions operate in a time-domain duplex (TDD) manner, a novel multi-subband quasi-perfect (MS-QP) sequence, composed of multiple Zadoff-Chu (ZC) perfect subsequences on different subbands, is proposed for target sensing, which achieves accurate target ranging and velocity estimation, whilst only requiring cost-efficient low-rate analog-to-digital converters (A/Ds) for sequence detection. Furthermore, the root index of each ZC subsequence of the MS-QP sequence is designed to eliminate the influence of doppler shift on the THz radar sensing. Finally, a data-embedded MS-QP (DE-MS-QP) waveform is constructed through time-domain extension of the MS-QP sequence, generating null frequency points on each subband for data transmission. Unlike the THz-JRC system in TDD manner, the proposed DE-MS-QP waveform enables simultaneous interference-free sensing and communication, whilst inheriting all the merits from MS-QP sequences. Numerical results validate the superiority of the proposed waveforms in terms of sensing performance, hardware cost and flexible resource allocation over their conventional counterparts.

研究の動機と目的

• 超広帯域とハードウェアコストという重要な制約が課される太赫茲（THz）帯における、効率的な波形設計の課題に対処する。
• 従来のTDDベースのJRCシステムの限界を克服し、干渉のない同時検知と通信を可能にする。
• 低レートのアナログ・デジタル変換器（A/D）を用いても、正確なターゲット距離測定と速度推定を実現する波形の設計。
• 太赫茲レーダ検知におけるドップラー周波数シフトの影響を低減するため、サブバンド全体にわたるZadoff-Chu（ZC）部分シーケンスのルートインデックスを最適化する。
• 各サブバンドの空き周波数ポイントにデータを埋め込むことで、検知性能を損なわず、柔軟なスペクトル利用を実現する。

提案手法

• 太赫茲帯の各異なるサブバンドに割り当てられた複数のZadoff-Chu（ZC）完全部分シーケンスから構成されるマルチサブバンド準完全（MS-QP）シーケンスを提案する。
• 各ZC部分シーケンスのルートインデックスを設計し、ドップラー周波数シフトがレーダ検知性能に与える影響をキャンセルすることで、ターゲット速度推定の耐障害性を確保する。
• MS-QPシーケンスを時間領域で拡張することで、各サブバンドに空き周波数ポイントを導入し、データ送信を可能にするデータ埋め込みMS-QP（DE-MS-QP）波形を構築する。
• DE-MS-QP波形が元のMS-QPシーケンスの検知性能を維持するとともに、同時に通信を可能にするように保証する。
• 比較のためのベースラインとして時間領域多重（TDD）運用を用いるが、波形設計によって同時に運用を達成することを主眼とする。
• ZCシーケンスの定幅エナベルドおよび低ピークパワー比（PAPR）の特性を活用し、高分解能アナログ・デジタル変換器（A/D）の必要性を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コスト・低レートのアナログ・デジタル変換器（A/D）を用いた太赫茲-JRCシステムにおいて、正確なターゲット距離測定と速度推定を実現する波形はどのように設計できるか？
• RQ2 太赫茲レーダ検知におけるドップラー周波数シフトの影響を低減するために、サブバンド全体にわたるZadoff-Chu部分シーケンスに最適なルートインデックスをどのように割り当てるか？
• RQ3 1つの波形が、干渉のない状態で太赫茲帯域で高レート通信と高精度検知を同時に実現できるか？
• RQ4 各サブバンド内に空き周波数ポイントを戦略的に配置することで、レーダ検知性能を損なわずデータを埋め込む方法は何か？
• RQ5 検知精度、ハードウェアコスト、スペクトルの柔軟性という観点から、提案されたMS-QP/DE-MS-QP波形と従来のTDDベースまたは最適化されていない波形との間で、どのような性能的トレードオフが生じるか？

主な発見

• 提案されたMS-QPシーケンスは、低レートのアナログ・デジタル変換器（A/D）を用いても、正確なターゲット距離測定と速度推定を達成し、ハードウェアコストを顕著に削減する。
• 各ZC部分シーケンスのルートインデックスを最適化することで、MS-QP波形はドップラー周波数シフトがレーダ検知性能に与える影響を効果的に排除する。
• DE-MS-QP波形は、各サブバンドの空き周波数ポイントにデータを埋め込むことで、干渉のない同時検知と通信を実現する。
• 数値結果により、提案波形が従来の波形と比較して、検知精度、ハードウェア効率、および柔軟なリソース割り当ての面で優れていることが示された。
• DE-MS-QP波形は、MS-QPシーケンスのすべての検知利点を継承するとともに、同じ周波数帯域で高スループットのデータ通信を可能にする。
• 波形設計により、テラビット・パー・セカンド（Tbps）のデータレートとミリメートル単位の検知分解能を達成でき、次世代太赫茲システムの要件を満たす。