[논문 리뷰] A Wideband Dual Function Radar Communication System With Sparse Array and OFDM Waveforms

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

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 42인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 넓은 대역 MIMO DFRC 시스템을 제안하며, 희박한 안테나 어레이와 OFDM 웨이브폼을 사용하여 공유된 서브케이너는 고속 통신을 지원하고, 개인 서브케이너는 희박한 복원을 통한 표적 추정을 지원한다. 시스템은 센싱 및 통신 성능을 공동으로 최적화하기 위해 예비화와 안테나 선택을 공동 설계하며, 주파수 선택성 fading 하에서 반복적 개선과 채널 추정을 통해 매개변수 결합 문제를 해결한다.

ABSTRACT

A novel multiple-input multiple-output (MIMO) dual-function radar communication (DFRC) system is proposed. The system transmits wideband, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) waveforms using a small subset of the available antennas in each channel use. The proposed system assigns most carriers to antennas in a shared fashion, thus efficiently exploiting the available communication bandwidth, and a small set of subcarriers to active antennas in an exclusive fashion (private subcarriers). A novel target estimation approach is proposed to overcome the coupling of target parameters introduced by subcarrier sharing. The obtained parameters are further refined via an iterative approach, which formulates a sparse signal recovery problem based on the data of the private subcarriers. The system is endowed with beamforming capability, via waveform precoding and antenna selection. The precoding and antenna selection matrices are optimally co-designed to meet a joint sensing-communication system performance. The sparsity of the transmit array is exploited at the communication receiver to recover the transmitted information. The use of shared subcarriers enables high communication rate, while the sparse transmit array maintains low system hardware cost. The sensing problem is formulated by taking into account frequency selective fading, and a method is proposed to estimate the channel coefficients during the sensing process. The functionality of the proposed system is demonstrated via simulations.

연구 동기 및 목표

• 넓은 대역 OFDM 웨이브폼과 희박한 안테나 어레이를 효율적으로 활용하여 저비용 하드웨어와 높은 스펙트럼 효율을 달성하는 이중기능 레이더-통신 시스템을 설계한다.
• 공유 아포에이처 DFRC 시스템에서 서브케이너 공유로 인한 표적 매개변수 결합 문제를 새로운 추정 및 개선 방법을 통해 해결한다.
• 웨이브폼 예비화와 안테나 선택을 공동 최적화하여 레이더 센싱 정확도와 통신 데이터 전송률을 동시에 향상시킨다.
• 통신 수신기에서 송신 어레이의 희박성을 활용하여 하드웨어 복잡도 증가 없이 신뢰할 수 있는 정보 검출을 가능하게 한다.
• 주로 센싱 과정 동안 주파수 선택성 페이딩 채널을 모델링하고 추정하여 견고한 시스템 성능을 유지한다.

제안 방법

• 시스템은 전송 시에 일부 안테나만 활성화되는 희박한 MIMO 어레이를 사용하여 하드웨어 비용을 줄이면서도 빔포밍 능력을 유지한다.
• 직교 주파수 분할 multiplexing (OFDM) 웨이브폼을 사용하며, 대부분의 서브케이너를 다수의 안테나가 공유하여 통신 대역폭 이용률을 극대화한다.
• 소수의 서브케이너를 개별 안테나에 전적으로 할당(개인 서브케이너)하여 표적 매개변수 추정의 모호함을 제거한다.
• 공유 서브케이너로 인한 매개변수 결합 문제를 해결하기 위한 새로운 표적 추정 방법을 제안하고, 개인 서브케이너 데이터 기반의 희박한 신호 복원 공식을 활용한 반복적 개선을 수행한다.
• 시스템은 센싱-통신 공동 최적화 문제를 수립하여 하드웨어 및 스펙트럼 제약 조건 하에서 시스템 성능을 극대화하기 위해 예비화 및 안테나 선택 행렬을 공동 설계한다.
• 주파수 선택성 페이딩은 센싱 과정 동안 가용 신호 데이터를 활용한 채널 계수 추정을 통해 모델링하고 보완한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 희박한 어레이 배치를 통해 저비용 하드웨어 비용을 유지하면서도 고속 통신 데이터 전송률을 달성할 수 있는가?
• RQ2 공유 아포에이처 MIMO-OFDM DFRC 시스템에서 서브케이너 공유로 인한 표적 매개변수 결합 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 기법은 무엇인가?
• RQ3 예비화와 안테나 선택을 어떻게 공동 설계하여 레이더 센싱 정확도와 통신 대역폭을 동시에 최적화할 수 있는가?
• RQ4 송신 어레이의 희박성은 통신 수신기에서 어떻게 활용되어 하드웨어 복잡도 증가 없이 신뢰할 수 있는 정보 검출을 가능하게 하는가?
• RQ5 넓은 대역 OFDM 기반 DFRC 시스템에서 센싱 단계 동안 주파수 선택성 페이딩을 어떻게 추정하고 보정할 수 있는가?

주요 결과

• 공유 서브케이너를 다수 안테나 간에 활용함으로써 제안된 시스템은 스펙트럼 효율을 극대화하여 고속 통신 데이터 전송률을 달성한다.
• 반복적 표적 추정 방법은 결합된 표적 매개변수를 성공적으로 해소하여 기존 방법에 비해 정확도를 향상시킨다.
• 예비화와 안테나 선택의 공동 설계를 통해 공동 센싱-통신 성능 트레이드오프에 상당한 향상이 이루어진다.
• 개인 서브케이너의 사용은 효과적인 희박한 신호 복원을 가능하게 하여 수신기에서 신뢰할 수 있는 통신 검출을 가능하게 한다.
• 센싱 과정 중 정확한 채널 계수 추정을 통해 주파수 선택성 페이딩에 대한 견고성이 입증된다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 DFRC 시스템이 레이더 및 통신 기능 모두에서 높은 성능을 달성하는 데 실현 가능하고 효과적임을 확인한다.