[논문 리뷰] Interference Exploitation for Radar and Cellular Coexistence: The Power-Efficient Approach

Fan Liu, Christos Masouros외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 28.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 38인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 간섭(MUI)을 이용하여 MIMO 레이더와 다운링크 다중 사용자 MIMO(MU-MISO) 이동통신 시스템 간의 공존을 위한 전력 효율적인 beamforming 기법을 제안한다. 유용한 MUI를 간섭으로 간주하는 대신 자원으로 간주함으로써, SINR 및 간섭대잡음비(INR) 제약 조건을 만족하면서 기지국 전송 전력을 최소화하는 방법을 제시하여, 기존의 SDR 기반 접근 방식에 비해 뚜렷한 전력 절감 효과를 얻고, 채널 상태 정보(CSI)가 불완전한 조건에서도 더 높은 강인성을 확보한다.

ABSTRACT

We propose a novel approach to enable the coexistence between Multi-Input-Multi-Output (MIMO) radar and downlink multi-user Multi-Input-Single-Output (MU-MISO) communication system. By exploiting the constructive multi-user interference (MUI), the proposed approach trades-off useful MUI power for reducing the transmit power, to obtain a power efficient transmission. This paper focuses on two optimization problems: a) Transmit power minimization at the base station (BS) while guaranteeing the receive signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) level of downlink users and the interference-to-noise ratio (INR) level to radar; b) Minimization of the interference from BS to radar for a given requirement of downlink SINR and transmit power budget. To reduce the computational overhead of the proposed scheme in practice, an algorithm based on gradient projection is designed to solve the power minimization problem. In addition, we investigate the trade-off between the performance of radar and communication, and analytically derive the key metrics for MIMO radar in the presence of the interference from the BS. Finally, a robust power minimization problem is formulated to ensure the effectiveness of the proposed method in the case of imperfect Channel State Information (CSI). Numerical results show that the proposed method achieves a significant power saving compared to conventional approaches, while obtaining a favorable performance-complexity trade-off.

연구 동기 및 목표

• MIMO 레이더와 다운링크 다중 사용자 MIMO(MU-MISO) 이동통신 시스템 간의 스펙트럼 공유 문제를 다루며, 상호 간섭으로 인해 공존이 제한됨을 확인한다.
• 기존 간섭 완화 기법이 모든 다중 사용자 간섭(MUI)을 해로운 것으로 간주하는 한계를 극복하기 위해, MUI를 유용한 자원으로 재정의한다.
• 기지국에서 레이더로 향하는 간섭 채널에 대한 채널 상태 정보(CSI)가 불완전한 상황에서도 성능을 유지할 수 있는 강인한 beamforming 설계를 개발한다.
• 전력 최소화를 위한 효율적인 기울기 투영 알고리즘을 도입하여 성능-복잡도 간의 유리한 트레이드오프를 달성한다.
• 레이더 탐지 성능과 통신 품질 간의 상호 관계를 정량화하고, MUI 존재 하에서 레이더 지표에 대한 분석적 표현을 유도한다.

제안 방법

• MU-MISO 다운링크 시스템에서 유용한 다중 사용자 간섭(CI)을 활용하여 기지국 전송 전력을 감소시키는 새로운 예측편성 최적화 프레임워크를 제안한다.
• 통제된 유용한 MUI를 允허함으로써 SINR 제약 조건을 완화함으로써 전력 최소화 문제를 재구성하여, 사용자 QoS를 유지하면서도 전송 전력을 낮출 수 있도록 한다.
• 비볼록 전력 최소화 문제를 효율적으로 해결하기 위해 기울기 투영 기반 알고리즘을 설계하여, 준정형 프로그래밍(SDR) 방법 대비 계산 복잡도를 감소시킨다.
• 기지국 간섭 존재 하에서 도래각(DoA) 추정에 대한 레이더 탐지 확률 및 크래머-라오 하한(CRB)에 대한 분석적 표현을 유도한다.
• 특히 기지국에서 레이더로 향하는 간섭 채널(F)에 대한 채널 상태 정보가 불완전한 상황을 고려하여, 최악의 경우 최적화를 이용한 강인 beamforming 설계를 개발한다.
• 탐지 성능 평가를 위해 가우시안 레이더 검출기 모델을 활용하고, 성능 분석을 위한 점근적 근사의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MU-MISO 시스템에서 발생하는 다중 사용자 간섭(MUI)의 유용한 간섭을 활용하여, 사용자 SINR 및 레이더 INR 요구 조건을 유지하면서 기지국 전송 전력을 줄일 수 있는가?
• RQ2 MU-MISO 시스템에서 MUI를 활용할 경우, 공존 시스템에서 레이더 탐지 성능과 통신 품질 간의 상호 관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특히 기지국에서 레이더로 향하는 간섭 채널에 대한 채널 상태 정보가 불완전할 경우, 제안된 beamforming 기법의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 기울기 투영 알고리즘이 LTE와 같은 실용적 시스템에서 SDR 기반 솔버에 비해 유사하거나 더 높은 계산 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ5 채널 추정 오차가 존재할 경우, 간섭 이용 기반의 강인 beamformer가 기존의 SDR 기반 beamformer보다 얼마나 더 뛰어난 성능을 보이는가?

주요 결과

• 목표 레이더 탐지 확률 0.9 조건에서, 제안된 CI 기반 beamforming은 기존의 SDR 기반 beamforming 대비 4 dB의 전송 전력 절감 효과를 달성한다.
• 특히 다운링크 사용자에 대한 높은 SINR 요구 조건 하에서, CI 기반 방법은 SDR 기반 beamforming에 비해 레이더 탐지 확률과 DoA 추정 정확도 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 기울기 투영 알고리즘은 SDR 기반 솔버와 유사한 평균 실행 시간을 확보하여, LTE와 같은 실시간 구현에 적합한 계산 효율성을 확보한다.
• CSI 오차 상황에서도 간섭 이용 기반의 강인 beamformer 설계가 성능을 유지하며, CI 기반 방법이 SDR 기반 대비 더 높은 채널 추정 오차 내성 특성을 보인다.
• 기지국에서 레이더로 향하는 간섭 채널(F)의 추정 정확도가 H 및 G 채널보다 낮더라도 성능 저하 없이 운영 가능하며, CI 방법이 F 채널의 오차에 더 강인하기 때문이다.
• MUI 존재 하에서 레이더 탐지 확률 및 크래머-라오 하한(CRB)에 대한 분석적 표현은 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 점근적 결과와 시뮬레이션 결과 간의 밀도 있는 일치를 보였다.