[논문 리뷰] A Dual-Function Radar Communication System With OFDM Waveforms and Subcarrier Sharing

Zhaoyi Xu, Athina P. Petropulu|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 10.

Radar Systems and Signal Processing인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 감지 및 통신을 위한 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위해 송신 안테나 간에 서브밴드를 공유하는 OFDM 기반 MIMO 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템을 제안한다. 비공개 서브밴드를 도입하여 가상 어레이를 합성함으로써 각도 해상도를 향상시키면서도 통신 속도를 약간 희생함으로써, 반복적이고 저복잡도의 매개변수 추정 방법과 최적화된 웨이브폼 프리코딩을 통해 높은 데이터 전송 속도와 정확한 목표물 추정을 달성한다.

ABSTRACT

A novel monostatic multiple-input multiple-output (MIMO) dual-function radar communication (DFRC) system is proposed, that uses the available bandwidth efficiently for both sensing and communication. The proposed system, referred to as Shared-Subcarriers DFRC (SS-DFRC) transmits wideband, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) waveforms and allows the transmit antennas to use subcarriers in a shared fashion. A novel, low complexity target estimation approach is proposed to overcome the coupling of radar target parameters and transmitted symbols that arises in that case. When all subcarriers are used in a shared fashion, the proposed system achieves high communication rate but its sensing performance is limited by the size of the receive array. We show that when some of the subcarriers are reserved for exclusive use by one transmit antenna each (private subcarriers), the communication rate can be traded off for improved sensing performance. The latter can be achieved by using the private subcarriers to construct a larger aperture virtual array that yields higher resolution angle estimates. The system is endowed with beamforming capability, via waveform precoding, where the precoding matrix is optimally designed to meet a joint sensing-communication system performance metric.

연구 동기 및 목표

• 폭넓은 대역의 MIMO DFRC 시스템을 설계하여 레이더 감지와 고속 통신을 위한 가용 스펙트럼을 효율적으로 활용한다.
• 공유 서브밴드 OFDM 웨이브폼에서 레이더-통신 심볼 결합 및 웨이브폼의 직교성 상실 문제를 해결한다.
• 물리적 어레이의 제한된 개구부에도 불구하고 비공개 서브밴드를 통해 가상 어레이를 합성하여 각도 해상도를 향상시키면서도 통신 속도를 유지한다.
• 감지 성능 향상과 통신 수신 신호 대 노이즈비(SNR) 향상을 동시에 달성하기 위해 송신 프리코딩을 최적화한다.
• 공유 서브밴드에서 레이더 및 통신 신호를 분리할 수 있는 저복잡도의 반복적 목표물 매개변수 추정 방법을 개발한다.

제안 방법

• 다중 송신 안테나 간에 서브밴드를 공유하는 정규 분할 주파수 multiplexing(OFDM) 웨이브폼을 사용하여 통신 대역폭 활용도를 극대화한다.
• 개별 안테나에 비공개 서브밴드를 할당하여 더 큰 가상 어레이를 구성함으로써 각도 해상도를 향상시켜 목표물 추정 성능을 향상시킨다.
• 공유 서브밴드 내에서 레이더 매개변수(각도, 거리, 도플러)와 변조된 통신 심볼을 분리하기 위한 새로운 저복잡도의 목표물 추정 방법을 제안한다.
• 기울기 강하를 통해 송신 프리코딩 행렬을 최적화하여 원하는 비스듬한 패턴을 확보하고 통신 수신기에서의 신호 대 노이즈비(SNR)를 극대화한다.
• 각도 범위 내에서 신호를 교차상관시켜 각도 및 거리 추정치를 반복적으로 개선하고, 도플러 추정치와 짝지어 정렬하는 알고리즘을 적용한다.
• 공유 및 비공개 서브밴드 모두에서 최소 제곱 추정을 사용하여 통신 심볼을 복원하며, 비공개 서브밴드는 겹치지 않는 전송으로 더 낮은 BER을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OFDM 기반 MIMO 레이더 시스템에서 서브밴드 공유 전략을 어떻게 활용하여 감지 성능을 저하시키지 않고 통신 데이터 전송 속도를 증가시킬 수 있는가?
• RQ2 공유 서브밴드 시스템에서 웨이브폼의 비직교성과 심볼 결합은 레이더 목표물 매개변수 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비공개 서브밴드를 통해 제한된 물리적 어레이 개구부에도 불구하고 가상 어레이를 합성하여 각도 해상도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 감지 성능 향상과 통신 성능 향상을 동시에 달성하기 위해 송신 프리코딩을 어떻게 공동 최적화할 수 있는가?
• RQ5 서브밴드를 공유 또는 비공개로 할당할 경우 통신 속도와 감지 정확도 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 16개의 송신 안테나를 사용할 경우 시스템은 최대 3.277 기가비트/초의 통신 비트 전송 속도를 달성한다.
• 비공개 서브밴드 사용으로 인해 전체 공유 서브밴드 운영 대비 6 메가비트/초의 비트 전송 속도 손실가 발생한다.
• 비공개 서브밴드에서의 비트 오류율(BER)은 공유 서브밴드보다 낮으며, Nt=12개의 안테나로도 낮은 신호 대 노이즈비(SNR)에서 낮은 BER을 달성한다.
• 송신 안테나 수를 늘일수록 신호 대 노이즈비(SNR) 향상과 비스듬한 패턴 성능 향상이 이루어지지만, 동시에 공유 서브밴드에서의 BER도 증가한다.
• 반복적 추정 알고리즘이 성공적으로 거리 및 각도 추정치를 짝지어 정확도를 향상시키며, 가상 어레이에서 유도된 정밀한 각도 정보를 통해 개선된 성능을 달성한다.
• 기울기 강하를 통한 제안된 프리코딩 설계는 감지 방향성과 통신 신호 대 노이즈비(SNR)를 효과적으로 균형 잡아 전체 시스템 성능 향상에 기여한다.