[논문 리뷰] Co-Designing Statistical MIMO Radar and In-band Full-Duplex Multi-User MIMO Communications -- Part I: Signal Processing

Jiawei Liu, Kumar Vijay Mishra외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 26.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 62인용 수 37

한 줄 요약

요약: 본 논문은 스펙트럼을 공유하는 통계적 MIMO 레이더와 IBFD MU-MIMO 통신 시스템을 위한 공동 설계 프레임워크를 제안하고, 레이더 코드, UL/DL 프리코더, 수신 필터를 합산-가중 정보(mutual information) 기준으로 함께 최적화합니다.

ABSTRACT

We consider a spectral sharing problem in which a statistical (or widely distributed) multiple-input multiple-output (MIMO) radar and an in-band full-duplex (IBFD) multi-user MIMO (MU-MIMO) communications system concurrently operate within the same frequency band. Prior works on joint MIMO-radar-MIMO-communications (MRMC) systems largely focus on either colocated MIMO radars, half-duplex MIMO communications, single-user scenarios, omit practical constraints (clutter, uplink [UL]/downlink [DL] transmit powers, UL/DL quality-of-service, and peak-to-average-power ratio), or MRMC co-existence that employs separate transmit/receive units. The purpose of this and companion papers (Part II and III) is to co-design an MRMC framework that addresses all of these issues. In this paper, we propose signal processing for a distributed IBFD MRMC, where radar receiver is designed to additionally exploit the downlink communications signals reflected from a radar target. Extensive numerical experiments show that our methods improve radar target detection over conventional codes and yield a higher achievable data rate than standard precoders. The following companion paper (Part II) describes the theory and procedure of our algorithm to solve the non-convex design problem. The final companion paper (Part II) considers the case of multiple targets and examines the tracking performance of our MRMC system.

연구 동기 및 목표

• 광범위하게 분산된 MIMO 레이더와 같은 대역에서 작동하는 인-밴드 풀-듀티 MU-MIMO 통신 시스템 간의 스펙트럼 공유를 동기부여하고 다루는 것.
• 실용적 제약(UL/DL 전력, QoS, PAR)을 고려하여 레이더 파형과 통신 프리코더/수신기를 함께 설계하는 것.
• 단조로운 수렴과 레이더 검출 및 통신 데이터 속도 모두에 대해 향상된 성능을 제공하는 최적화 프레임워크를 개발하는 것.

제안 방법

• 레이더와 통신의 공동 성능 지표로 합성-가중 합(mutual information, CWSM)을 정의한다.
• UL/DL 전력, QoS 및 피크-대-평균 전력 비율 제약 하에서 레이더 코드 행렬 A, UL/DL 프리코더 {Pu,i[k], Pd,j[k]}, 및 선형 수신 필터를 공동으로 최적화하는 비볼록 최적화 문제를 형식화한다.
• 블록 좌표 최적화(BCD)와 교대 투영(AP) 방법의 조합을 사용하여 비볼록 CWSM 문제를 해결하고 반복 해를 얻는다.
• 실용적인 동기화, 채널, 간섭 고려를 포함하여 광범위 분포 안테나를 가진 통계적 MIMO 레이더와 IBFD MU-MIMO 통신을 모델링한다.
• 빠르고 단조로운 수렴을 보장하기 위해 이산 및 연속 최적화 단계를 활용하여 몇 차례의 반복 내에 수렴하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통계적 MIMO 레이더와 IBFD MU-MIMO 통신 시스템이 어떻게 함께 설계되어 스펙트럼을 효과적으로 공유할 수 있는가?
• RQ2 레이더와 통신의 목표를 함께 포착하는 효과적인 정보 이론적 성능 지표는 무엇인가?
• RQ3 QoS 및 PAR 제약을 만족시키면서 빠르게 수렴하는 실용적인 최적화 알고리즘(BCD-AP)이 존재하는가?
• RQ4 최적화된 레이더 코드와 프리코더가 기존 설계에 비해 레이더 검출 및 통신 데이터 속도를 향상시키는가?

주요 결과

• 최적화된 설계에서 주어진 오경보율에서 레이더 검출 확률이 기존 레이더 코드에 비해 최대 13% 향상된다.
• 제안된 프리코더 설계로 통신 데이터 속도가 표준 프리코더에 비해 최대 30% 향상된다.
• 제안된 BCD-AP 알고리즘이 몇 차례의 반복 내에 단조로운 수렴을 보인다.
• 프레임워크가 UL/DL 발신 전력, UL/DL QoS(최소 속도), 피크-대-평균 전력 비율 제약을 하나의 설계에서 고려한다.
• 예비 결과(초기 컨퍼런스 버전)는 프리코더 설계에 중점을 둔 반면, 본 연구는 레이더와 통신의 공동 최적화로 확장되었다.