[논문 리뷰] MIMO-OFDM Dual-Functional Radar-Communication Systems: Low-PAPR Waveform Design

Xiaoyan Hu, Christos Masouros외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 27.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 31인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전력 및 PAPR 제약 조건 하에서 레이더 및 통신 성능을 공동으로 최적화하여 MIMO-OFDM 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템을 위한 저PAPR 웨이브폼 설계를 제안한다. 가중치가 부여된 목적 함수와 준정방형 프로그래밍(SDP) 및 준정방형 완화(SDR)를 활용하여 전역적으로 최적의 랭크-1 해를 달성함으로써, 낮은 복잡도와 높은 스펙트럼 효율성을 확보한 실용적인 전송이 가능하다.

ABSTRACT

In this paper, we explore a dual-functional radar-communication (DFRC) system for achieving integrated sensing and communications (ISAC). The technique of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is leveraged to overcome the frequency-selective fading of the wideband multiple-input multiple-output (MIMO) systems with one multi-antenna DFRC base station (BS) and multiple single-antenna user equipment (UEs). In order to restrain the high peak-to-average power ratio (PAPR) of OFDM signals, we aim to jointly design low-PAPR DFRC MIMO-OFDM waveforms. This is done by utilizing a weighted objective function on both communication and radar performance metrics under power and PAPR constraints. The formulated optimization problems can be equivalently transformed into standard semi-definite programming (SDP) and can be effectively solved by semi-definite relaxation (SDR) method, where we prove that globally optimal rank-1 solution can be obtained in general. We further develop a low-complexity method to solve the problems with much reduced overheads. Moreover, the practical scenario with oversampling on OFDM signals is further considered, which has a significant effect on the resulting PAPR levels. The feasibility, effectiveness, and flexibility of the proposed low- PAPR DFRC MIMO-OFDM waveform design methods are demonstrated by a range of simulations on communication sum rate, symbol error rate as well as radar beampattern and detection probability.

연구 동기 및 목표

• 비선형 전력 증폭기 왜곡으로 인해 성능이 저하되는 MIMO-OFDM 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템에서 고피크대평균전력비(PAPR) 문제를 해결한다.
• 레이더 빔패턴과 통신 합산 속도를 공동으로 최적화하기 위해 둘 다의 성능 지표를 균형 있게 반영한 가중치 목적 함수를 설정한다.
• PAPR 및 전송 전력 제약 조건을 최적화 프레임워크에 통합하여 실용성 확보.
• 실시간 구현을 위한 실용적인 시스템에 적합한 낮은 복잡도 솔루션을 개발한다.
• OFDM 신호에 대한 오버샘플링 영향을 고려하여 설계를 확장하며, 이는 실세계 구현에서 PAPR 수준에 상당한 영향을 미친다.

제안 방법

• 레이더 빔패턴 이득과 통신 합산 속도의 가중합을 목적 함수로 사용하여 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 준정방형 완화(SDR)를 통해 비볼록 최적화 문제를 표준 준정방형 프로그래밍(SDP)으로 변환한다.
• 카룩-쿤-터커(KKT) 조건과 행렬 랭크 분석을 활용하여 전역적으로 최적의 해가 랭크-1임을 증명함으로써 실용적인 전송 웨이브폼 보장.
• 라그랑주 승수를 사용하여 최적성의 필요 조건을 유도하고, 해 행렬 Ψ가 전순위를 가지며 랭크-1 beamforming 해로 이어짐을 검증한다.
• SDR 해를 기반으로 한 낮은 복잡도 방법을 도입하여 계산 오버헤드를 감소시키면서도 성능를 유지한다.
• 실제 오버샘플링 영향을 고려하여 OFDM 신호에 영향을 미치는 PAPR를 설계 과정에 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 증폭기 왜곡을 완화하기 위해 MIMO-OFDM DFRC 시스템에서 저PAPR 웨이브폼을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 PAPR 및 전력 제약 조건 하에서 공동 MIMO-OFDM DFRC 시스템에서 레이더 감지 성능과 통신 속도 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 공동 최적화 문제는 전역적으로 최적의 랭크-1 해를 갖는 볼록 SDP로 재구성할 수 있는가?
• RQ4 OFDM 신호의 오버샘플링은 결과적인 PAPR에 어떤 영향을 미치며, 이를 웨이브폼 설계에 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ5 제안된 저PAPR 웨이브폼을 사용할 경우 통신 속도, 심볼 오류율, 레이더 탐지 확률 측면에서 기대 가능한 성능 향상은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 방법은 빔포밍 행렬에 대해 전역적으로 최적의 랭크-1 해를 달성하여 실용적이고 실현 가능한 전송 웨이브폼을 보장한다.
• 준정방형 완화(SDR) 접근법은 비볼록 문제를 볼록 SDP로 성공적으로 변환하여 효율적인 계산을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과, 기존의 OFDM 웨이브폼 대비 통신 합산 속도 및 심볼 오류율 성능에서 뚜렷한 향상이 나타났다.
• 레이더 빔패턴은 주로 고조도의 메인로브와 낮은 사이드로브 수준을 보이며 효과적인 감지 성능을 입증한다.
• 최적화된 웨이브폼 설계로 인해 신호대간섭왜곡비(SINR) 향상으로 탐지 확률이 향상되었다.
• 낮은 복잡도 변형은 피드백 및 계산 오버헤드를 감소시키면서도 거의 최적의 성능를 유지하여 실시간 구현에 적합하다.