[논문 리뷰] Composite Signalling for DFRC: Dedicated Probing Signal or Not?

Li Chen, Fan Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 08.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 29인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템에서 동시 전송 및 수신 beamforming을 조사하며, 단일통신사용자(CU) 환경에서는 전용 탐지 신호가 불필요하지만, 다중CU 환경에서는 유용하다고 밝힌다. 이는 랭크-1 해를 보장하는 정규화된 준선형계획법 기반 최적화 프레임워크를 제안하며, 전용 신호가 통신사용자에서의 간섭 제거 비용을 치르면서도 레이더의 SINR을 향상시킨다.

ABSTRACT

Dual-functional radar-communication (DFRC) is a promising new solution to simultaneously probe the radar target and transmit information in wireless networks. In this paper, we study the joint optimization of transmit and receive beamforming for the DFRC system. Specifically, the signal to interference plus noise ratio (SINR) of the radar is maximized under the SINR constraints of the communication user (CU), which characterizes the optimal tradeoff between radar and communication. In addition to simply using the communication signal for target probing, we further consider to exploit dedicated probing signals to enhance the radar sensing performance. We commence by studying the single-CU scenario, where a closed-form solution to the beamforming design problem is provided. It is then proved that a dedicated radar probing signal is not needed. As a further step, we consider a more complicated multi-CU scenario, where the beamforming design is formulated as a non-convex quadratically constrained quadratic programming. The optimal solutions are obtained by applying semidefinite relaxation with guaranteed rank-1 property. It is shown that under the multi-CU scenario, the dedicated probing signal should be employed to improve the radar performance at the cost of implementing an additional interference cancellation at the CU. Finally, the numerical simulations are provided to verify the effectiveness of the proposed algorithm.

연구 동기 및 목표

• 무선 네트워크에서 레이더와 통신 간의 스펙트럼 공유 문제를 해결하기 위해 밀리미터파 대역을 중심으로 다루는 것.
• DFRC 시스템에서 전송 및 수신 beamforming을 공동 최적화하여 레이더 감지 성능과 통신 품질의 균형을 이루는 것.
• 통신 신호 외에 전용 탐지 신호가 레이더 성능을 향상시킬 수 있는지 여부를 규명하는 것.
• 다중통신사용자에 대한 SINR 제약 조건을 충족시키면서도 레이더 성능을 최대화하는 공동 beamforming 설계를 개발하는 것.

제안 방법

• 다중CU DFRC 시스템에서 동시 전송 및 수신 beamforming을 위한 비볼록 2차 제약 조건을 가진 정수계획문제(QCQP)를 수립한다.
• 최적화 문제에 준선형계획법(SDR)을 적용하여 최적 해가 실용적인 beamformer를 위해 랭크-1 구조를 유지하도록 보장한다.
• 라그랑주 이중성과 카룩-쿤-터커(KKT) 조건을 사용하여 beamforming 해의 최적성 분석을 수행한다.
• 이중 변수 μ와 간섭 행렬의 주요 고유값에 기반하여 최적의 탐지 신호가 전용 신호이거나 0이 되는 조건을 유도한다.
• 다중CU 케이스에서 μ* > κ일 경우, 레이더의 SINR을 최대화하기 위해 비영인 전용 탐지 신호가 필요하다는 것을 증명한다.
• 전용 탐지 신호를 사용할 경우 통신 사용자가 추가 간섭 제거를 수행해야 함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일통신사용자(DFRC) 시스템에서 레이더의 SINR을 최대화하기 위해 전용 탐지 신호가 필수적인가?
• RQ2 다중통신사용자가 존재할 경우 DFRC 시스템에서 전용 탐지 신호의 필요성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 SINR 제약 조건 하에서 레이더 성능과 통신 품질을 최적으로 균형 잡는 beamforming 전략은 무엇인가?
• RQ4 준선형계획법이 다중사용자 DFRC 시스템에서 beamforming 벡터에 대해 랭크-1 해를 보장할 수 있는가?
• RQ5 최적의 탐지 신호가 0이 되는 조건은 무엇인가, 이는 전용 신호가 필요하지 않음을 의미하는가?

주요 결과

• 단일CU 환경에서는 전용 탐지 신호가 필요 없으며, 통신 신호만으로도 레이더의 SINR을 최대화할 수 있다.
• 다중CU 환경에서는 레이더 성능을 향상시키기 위해 전용 탐지 신호가 필요하며, 이중 변수 μ*가 간섭 행렬의 주요 고유값 κ를 초과할 경우에만 최적 beamforming 벡터가 비영이 된다.
• 제안된 준선형계획법 방법은 모든 beamforming 행렬에 대해 랭크-1 해를 보장하여 실용적인 beamformer 설계를 보장한다.
• μ* = κ일 경우 최적의 탐지 신호 beamforming 벡터는 0이 되며, 이는 단일CU 케이스에서 전용 신호가 필요하지 않음을 의미한다.
• 다중CU 케이스에서 전용 탐지 신호를 사용할 경우 통신 사용자는 SINR 제약 조건을 유지하기 위해 추가 간섭 제거를 구현해야 한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 제안된 알고리즘이 레이더 및 통신 성능 간 최적의 트레이드오프를 달성하는 데 효과적임을 확인하였다.