[논문 리뷰] Hybrid Beamforming in mmWave Dual-Function Radar-Communication Systems: Models, Technologies, and Challenges

Ziyang Cheng, Linlong Wu외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 10.

Antenna Design and Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 6G 네트워크에서 성능과 복잡성의 상충 관계를 해소하기 위해 밀리미터파 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템에 하이브리드 비음향형(HBF)을 제안한다. 레이더 감지와 통신을 공유된 하드웨어 및 신호 처리를 통해 통합함으로써, 제한된 RF 체인과 위상 이동소자를 사용하여 다중 사용자 통신 및 표적 탐지가 가능해지며, 높은 스펙트럼/에너지 효율성과 낮은 하드웨어 비용을 동시에 달성한다.

ABSTRACT

As a promising technology in beyond-5G (B5G) and 6G, dual-function radar-communication (DFRC) aims to ensure both radar sensing and communication on a single integrated platform with unified signaling schemes. To achieve accurate sensing and reliable communication, large-scale arrays are anticipated to be implemented in such systems, which brings out the prominent issues on hardware cost and power consumption. To address these issues, hybrid beamforming (HBF), beyond its successful deployment in communication-only systems, could be a promising approach in the emerging DFRC ones. In this article, we investigate the development of the HBF techniques on the DFRC system in a self-contained manner. Specifically, we first introduce the basics of the HBF based DFRC system, where the system model and different receive modes are discussed with focus. Then we illustrate the corresponding design principles, which span from the performance metrics and optimization formulations to the design approaches and our preliminary results. Finally, potential extension and key research opportunities, such as the combination with the reconfigurable intelligent surface, are discussed concisely.

연구 동기 및 목표

• 밀리미터파 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템에서 대규모 어레이의 높은 하드웨어 비용과 전력 소비 문제를 해결하기 위해.
• RF 체인 수를 줄이면서도 레이더 및 통신 성능를 유지하기 위한 하이브리드 비음향형(HBF)을 해결책으로 탐색하기 위해.
• 감지 및 통신을 통합된 신호 처리로 구현하는 HBF 기반 DFRC의 시스템 모델 및 설계 원칙을 개발하기 위해.
• 실제 제약 조건 하에서 디지털 및 아날로그 비음향형의 공동 최적화 과제를 규명하기 위해.
• 재구성 가능 지능형 표 superficies(RIS) 및 OTFS 변조와의 통합과 같은 향후 확장 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• Nt 송신 및 Nr 수신 안테나를 갖는 HBF 기반 DFRC의 시스템 모델을 제안하며, 각각 Nt_RF 및 Nr_RF RF 체인을 사용한다.
• 완전, 부분, 동적 연결의 세 가지 아날로그 비음향형 아키텍처를 구현하며, 각각 다른 하드웨어 및 성능 상충 관계를 가진다.
• 레이더 비음향형 패턴의 직접성, 통신 속도, 에너지 효율성 등의 성능 지표를 기반으로 최적화 문제를 수립한다.
• 저해상도 ADCs/DACs를 HBF 설계에 통합하여 전력 및 비용을 절감하고, 그 영향을 시스템 성능에 분석한다.
• RIS 보조 DFRC 시스템에서 활성(HBF) 및 수동(RIS) 비음향형의 공동 최적화를 탐색하여 비음향형 정확도와 커버리지 향상을 도모한다.
• 고속 이동 환경에서 도플러 스프레드 및 인터캐리어 간섭을 완화하기 위해 OTFS 변조된 DFRC 시스템을 위한 HBF 설계를 탐구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HBF는 DFRC 시스템에서 어떻게 모델링될 수 있으며, 레이더 감지 및 통신 성능을 공동 최적화하기 위해 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ2 아날로그 비음향형 아키텍처(완전, 부분, 동적)가 HBF-DFRC 시스템의 성능 및 하드웨어 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 저해상도 ADCs/DACs는 밀리미터파 HBF-DFRC 시스템의 성능-에너지 효율성 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 HBF-DFRC에 재구성 가능 지능형 표 superficies(RIS)를 통합함으로써 비음향형 정확도 및 커버리지 향상에 있어 도전 과제와 기회는 무엇인가?
• RQ5 고속 이동 환경에서 도플러 스프레드 및 인터캐리어 간섭을 해결하기 위해 HBF는 OTFS 변조된 DFRC 시스템에 어떻게 적응시킬 수 있는가?

주요 결과

• HBF는 제한된 수의 RF 체인과 위상 이동소자를 사용함으로써 시스템 성능와 하드웨어 비용 사이의 유리한 트레이드오프를 달성한다.
• 아날로그 비음향형에서 동적 연결 아키텍처는 완전 및 부분 연결 대비 성능과 에너지 효율성의 더 좋은 균형을 제공한다.
• HBF-DFRC 시스템에서 저해상도 ADCs/DACs는 낮은 SNR에서 이상 양자화 시스템과 유사한 성능을 달성할 수 있으며, 에너지 효율성을 향상시킨다.
• HBF와 저해상도 ADCs/DACs의 공동 최적화는 최적의 성능-에너지 효율성 트레이드오프를 달성하기 위해 필수적이지만, 아직 탐색되지 않은 분야이다.
• RIS 보조 HBF-DFRC 시스템은 비음향형 정확도와 공간 다이나믹스를 향상시킬 수 있지만, 활성 및 수동 비음향형 간의 상호의존성으로 인해 고도의 최적화가 필요하다.
• OTFS 기반 HBF-DFRC 시스템은 광대역 운영으로 인해 디지털 및 아날로그 비음향형 간 강한 결합을 경험하며, 이는 큰 지연-도플러 블록에 대해 저복잡도 설계가 필요함을 시사한다.