[논문 리뷰] Joint Radar and Communication Design: Applications, State-of-the-art, and the Road Ahead

Fan Liu, Christos Masouros외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 03.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 103인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파 이중기능 레이더-통신(DFRC) 기지국을 위한 하이브리드 아날로그-디지털 beamforming 아키텍처를 제안하며, 동시에 목표물 탐지와 사용자 단말 통신을 가능하게 한다. 온디렉셔널 피LOT 신호와 순차적 간섭 제거를 활용하여, 일정 모odulus 및 전력 제약 하에서 목표물 향한 공동 beamforming과 채널 사전등화를 달성한다. 시뮬레이션을 통해 레이더 및 통신 기능의 효과적 공존이 확인되었다.

ABSTRACT

In this paper, we firstly overview the application scenarios and the research progress in the area of communication and radar spectrum sharing (CRSS). We then propose a novel transceiver architecture and frame structure for a dual-functional radar-communication (DFRC) base station (BS) operating in the millimeter wave (mmWave) band, using the hybrid analog-digital (HAD) beamforming technique. We assume that the BS is serving a multi-antenna aided user equipment (UE) operating in a mmWave channel, which in the meantime actively detects multiple targets. Note that part of the targets also play the role of scatterers for the communication signal. Given this framework, we propose a novel scheme for joint target search and communication channel estimation relying on the omni-directional pilot signals generated by the HAD structure. Given a fully-digital communication precoder and a desired radar transmit beampattern, we propose to design the analog and digital precoders under non-convex constant-modulus (CM) and power constraints, such that the BS can formulate narrow beams towards all the targets, while pre-equalizing the impact of the communication channel. Furthermore, we design an HAD receiver that can simultaneously process signals from the UE and echo waves from the targets. By tracking the angular variation of the targets, we show that it is possible to recover the target echoes and mitigate the potential interference imposed on the UE signals by invoking the successive interference cancellation (SIC) technique, even when the radar and communication signals share the equivalent signal-to-noise ratio (SNR). The feasibility and the efficiency of the proposed approaches in realizing DFRC are verified via numerical simulations. Finally, our discussions are summarized by overviewing the open problems in the research field of CRSS.

연구 동기 및 목표

• 공유된 mmWave 대역에서 공동 레이더 및 통신 운영을 통해 스펙트럼 혼잡을 해결하기 위해.
• 감지 및 통신 기능을 모두 지원하는 통합 하드웨어 플랫폼을 설계하기 위해.
• 동시 목표물 탐지 및 사용자 단말 통신을 수행할 수 있는 송수신기 아키텍처를 개발하기 위해.
• 순차적 간섭 제거(SIC)를 이용하여 레이더 에코와 통신 신호 간의 간섭을 완화하기 위해.
• 다중 목표물 향한 beamforming을 위한 일정 모odulus 및 전력 제약 하에서 아날로그 및 디지털 프리코더를 최적화하기 위해.

제안 방법

• mmWave 대역에서 작동하는 DFRC 기지국을 위한 하이브리드 아날로그-디지털(HAD) beamforming 아키텍처를 설계한다.
• HAD 구조가 생성하는 온디렉셔널 피LOT 신호를 활용하여 공동 목표물 탐색 및 채널 추정을 가능하게 한다.
• 비볼록 일정 모odulus 및 총 전력 제약 하에서 아날로그 및 디지털 프리코더를 최적화하여 목표물 향한 좁은 beam을 형성한다.
• 사용자 단말의 통신 신호와 레이더 목표물의 에코 신호를 모두 처리할 수 있는 HAD 수신기를 통합한다.
• 목표물의 각도 변화 추적을 통해 순차적 간섭 제거(SIC)를 실현하여 에코 복원 및 간섭 완화를 달성한다.
• 단위성 및 전력 제약 하에서 최적의 프리코더 해를 도출하기 위해 유효 채널 행렬에 특이값 분해(SVD)를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공유된 하드웨어와 스펙트럼을 사용할 때, 단일 mmWave 기지국이 통신 및 레이더 감지 기능을 효율적으로 동시에 지원할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 일정 모odulus 제약 하에서 동시에 목표물 추적과 통신 채널 사전등화를 가능하게 하는 beamforming 설계는 무엇인가?
• RQ3 레이더 및 통신 신호의 등가 신호 대 잡음비(SNR) 조건에서 레이더 에코에 의한 간섭은 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ4 순차적 간섭 제거(SIC)는 동일 대역폭 내에서 레이더 및 통신 신호의 공존을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 레이더 비임펄스 요구사항과 통신 품질 보증 조건을 모두 충족시키면서도 높은 스펙트럼 효율성을 유지할 수 있는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 HAD beamforming 설계는 일정 모odulus 및 전력 제약 하에서 다중 목표물 향한 좁은 beam 형성과 함께 통신 채널 사전등화를 성공적으로 수행한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 mmWave 대역에서 공동 레이더 및 통신 시스템의 실현 가능성과 효율성이 검증되었다.
• 순차적 간섭 제거(SIC)를 통해 레이더 및 통신 신호가 동일한 SNR 조건이어도 목표물 에코의 효과적 복원이 가능하다.
• HAD 구조가 생성한 온디렉셔널 피LOT 신호를 통해 공동 목표물 탐지 및 채널 추정이 실현되었다.
• 유효 채널 행렬의 SVD를 통해 최적의 디지털 프리코더가 유도되었으며, 이는 단위성 구조 유지를 비롯해 통신 도메인 내 간섭 제거를 보장한다.
• 유도된 해는 비볼록 일정 모odulus 제약을 충족시키며, 통신 신호에 의한 레이더 에코 간섭을 제거함으로써 효과적으로 제거된다.