[논문 리뷰] JCR70: A Low-Complexity Millimeter-Wave Proof-of-Concept Platform for A Fully-Digital MIMO Joint Communication-Radar

Preeti Kumari, Amine Mezghani외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 23.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 71–76 GHz 대역에서 슬라이딩 안테나 구조를 사용하여 광대역 MIMO 운영을 시뮬레이션하는, 저복잡도의 완전 디지털 MIMO 공동 통신-레이다(JCR) 개념 증명 플랫폼인 JCR70을 제시한다. 2–4비트 양자화 수신기가 고해상도 ADC와 유사한 성능을 달성함을 입증하였으며, 더 넓은 대역폭과 더 큰 합성 어레이를 통해 JCR70 플랫폼이 레이더북보다 범위 및 각도 해상도에서 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

A fully-digital wideband joint communication-radar (JCR) with a multiple-input-multiple-output (MIMO) architecture at the millimeter-wave (mmWave) band will enable high joint communication and radar performance with enhanced design flexibility. A quantized receiver with few-bit analog-to-digital converters (ADCs) will enable a practical JCR solution with reduced power consumption for futuristic portable devices and autonomous vehicles. In this paper, we present a joint communication-radar proof-of-concept platform, named JCR70, to evaluate and demonstrate the performance of these JCR systems using real channel measurements in the 71-76 GHz band. We develop this platform by extending a mmWave communication set-up with an additional full-duplex radar receiver and by capturing the MIMO JCR channel using a moving antenna on a sliding rail. To characterize the JCR performance of our developed tested, we conduct several indoor and outdoor experiments and apply traditional as well as advanced processing algorithms on the measured data. Additionally, we compare the performance of our JCR70 platform with the INRAS Radarbook, which is a state-of-the-art automotive radar evaluation platform at 77 GHz. The results demonstrate that a quantized receiver with 2-4 bit ADCs generally performed quite close to the high-resolution ADC for a signal-to-noise ratio of up to 5 dB. Our JCR70 platform with a fully digital JCR waveform at 73 GHz and 2 GHz bandwidth achieved higher resolution capability than the Radarbook due to higher bandwidth and larger synthesized antenna aperture.

연구 동기 및 목표

• mmWave 주파수에서 공동 통신 및 레이더 응용을 위한 완전 디지털 광대역 MIMO JCR 테스트베드를 개발한다.
• 실세계 채널 측정을 통한 실용적인 JCR 시스템에서 저해상도 ADC(2–4비트)의 성능을 평가한다.
• 77 GHz에서 작동하는 최신 기술 수준의 레이더북 자동차 레이더 플랫폼과 비교하여 JCR70 플랫폼의 해상도 및 정확도를 평가한다.
• 고급 처리 알고리즘(예: BG-GAMP)이 공동 통신-레이더 시스템에서 채널 추정을 향상시키는 데 효과적인지 검증한다.
• 동일한 하드웨어 플랫폼을 사용하여 고성능 통신 및 레이더 감지 기능을 동시에 수행할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 단일 RF 체인과 고속 ADC를 선형 경로를 따라 이동시켜 완전 디지털 MIMO 어레이를 시뮬레이션하는 슬라이딩 레일 메커니즘을 사용하여 광대역 채널 사운딩을 구현한다.
• 완전 이중성 레이더 수신기와 mmWave 통신 테스트베드를 통합하여 공동 운영을 위한 동시 송수신을 가능하게 한다.
• 삼각형 역반사판, 자전거, 자동차 등 다수의 산란체가 있는 실내 및 실외 환경에서 실세계 채널 측정을 수행한다.
• 기존의 FFT 기반 처리와 고급 희박 베이지안 처리(BG-GAMP)를 사용하여 수집된 데이터로부터 레이더 및 통신 채널을 추정한다.
• 수신 신호 데이터를 양자화하여 ADC 해상도를 모의함으로써 하드웨어 수정 없이 저해상도 수신기의 성능 평가를 가능하게 한다.
• 다양한 신호 대 잡음비(SNR) 조건에서 레이더 및 통신 채널의 정규화 평균 제곱오차(NMSE)를 사용하여 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 71–76 GHz에서 이동하는 안테나 구조를 사용하여 저복잡도의 완전 디지털 MIMO JCR 플랫폼을 실용적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 실세계 JCR 시스템에서 2–4비트 ADC의 성능이 고해상도 ADC와 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ3 고급 처리(예: BG-GAMP)가 공동 통신-레이더 시스템의 채널 추정 정확도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 JCR70 플랫폼의 해상도 및 다이내믹 레인지가 77 GHz에서 작동하는 최신 기술 수준의 레이더북과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ5 이중 방향 레이더 채널이 단일 방향 통신 채널에 비해 NMSE 성능에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 3비트 ADC 수신기가 저SNR 조건에서 고해상도 ADC 사례와 유사한 레이더 및 통신 성능을 달성하였다.
• JCR70 플랫폼는 2GHz 대역폭과 더 큰 합성 어레이 덕분에 레이더북보다 더 높은 범위 및 각도 해상도를 확보하였다.
• 레이더 채널의 NMSE는 통신 채널보다 높았는데, 이는 레이더에서의 이중 경로 전파로 인해 SNR가 감소하기 때문이다.
• 저해상도와 고해상도 ADC 간 성능 격차는 높은 SNR 및 낮은 채널 희박성 조건에서 커지며, 특히 1비트 ADC의 경우 두드러졌다.
• BG-GAMP 처리는 전통적인 FFT 기반 처리에 비해 채널 추정에서 측정 잡음과 사이드로브를 감소시켜 이미지 품질을 향상시켰다.
• 레이더 채널 추정에서 완전 이중성 효과가 명확히 관측되었으며, 직접 경로는 1.75m, 반사 경로는 각각 3.613m 및 4.98m에서 확인되어 시스템 기능성 확인되었다.