[논문 리뷰] MU-MIMO Communications with MIMO Radar: From Co-existence to Joint Transmission

Fan Liu, Christos Masouros외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 03.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 34인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 단일 기지국이 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO) 다운링크 통신과 레이더 감지 기능을 동시에 수행하는 통합 MIMO 레이더-통신(RadCom) 시스템을 제안한다. 모든 안테나를 두 기능에 공유하고, SINR 제약 조건을 페널티 항으로 포함한 가중치 보상 보상형 보상 설계를 통해 기존의 제약 조건 기반 설계에 비해 훨씬 낮은 계산 복잡도로 근사 최적 성능를 달성한다. 특히 공유 배치 환경에서 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

Beamforming techniques are proposed for a joint multi-input-multi-output (MIMO) radar-communication (RadCom) system, where a single device acts both as a radar and a communication base station (BS) by simultaneously communicating with downlink users and detecting radar targets. Two operational options are considered, where we first split the antennas into two groups, one for radar and the other for communication. Under this deployment, the radar signal is designed to fall into the null-space of the downlink channel. The communication beamformer is optimized such that the beampattern obtained matches the radar's beampattern while satisfying the communication performance requirements. To reduce the optimizations' constraints, we consider a second operational option, where all the antennas transmit a joint waveform that is shared by both radar and communications. In this case, we formulate an appropriate probing beampattern, while guaranteeing the performance of the downlink communications. By incorporating the SINR constraints into objective functions as penalty terms, we further simplify the original beamforming designs to weighted optimizations, and solve them by efficient manifold algorithms. Numerical results show that the shared deployment outperforms the separated case significantly, and the proposed weighted optimizations achieve a similar performance to the original optimizations, despite their significantly lower computational complexity.

연구 동기 및 목표

• 10 GHz 이하의 공유 스펙트럼 대역에서 MIMO 레이더와 MU-MIMO 통신 시스템 간의 공존 문제를 해결한다.
• 스펙트럼 및 하드웨어 비효율성으로 인해 성능이 떨어지는 분리된 레이더 및 통신 배치 방식의 한계를 극복한다.
• 공유 웨이브폼과 보상 설계를 활용하여 레이더 빔패턴 요구사항과 통신 품질 보증(QoS) 요구사항을 동시에 충족하는 통합 RadCom 시스템을 설계한다.
• SINR 제약 조건을 목적 함수에 페널티 항으로 통합하여 보상 최적화 문제로 재구성함으로써, 리emann 다양체 알고리즘을 통해 효율적인 최적화를 가능하게 하며, 저복잡도 보상 설계 솔루션을 개발한다.
• 공유 배치가 분리된 배치에 비해 성능-복잡도 트레이드오프 측면에서 뛰어나며, 동시에 통신 성능은 안정적으로 유지됨을 입증한다.

제안 방법

• 공유 안테나와 분리된 안테나의 두 가지 배치 모드를 제안한다: (1) 레이더와 통신에 각각 별도의 안테나를 사용하고, (2) 레이더와 통신에 동일한 안테나를 공유한다.
• 공유 배치 환경에서, 레이더 빔패턴 요구사항과 다운링크 MU-MIMO SINR 제약 조건을 동시에 만족하는 통합 웨이브폼을 설계한다.
• 원래의 제약 조건 기반 보상 설계 문제를 목적 함수에 SINR 제약 조건을 페널티 항으로 포함시켜 가중치 보상 최적화 문제로 재구성한다.
• 리emann 다양체 상에서 효율적으로 문제를 풀 수 있도록 리emann 공액 기울기(RCG) 알고리즘을 활용하여 보상 설계 문제를 해결함으로써 계산 복잡도를 감소시킨다.
• 최대 SINR 및 총 제곱 SINR 등의 페널티 함수를 도입하여 레이더 성능과 통신 신뢰성 간의 균형을 확보한다.
• 레이더의 목표 빔패턴을 정확히 구현할 수 있도록 보상 설계기를 최적화하고, 동시에 통신 SINR가 목표 임계치를 충족하도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공유 안테나 배치 방식이 분리된 안테나 배치 방식에 비해 레이더 빔패턴 정확도와 MU-MIMO 다운링크 SINR 성능 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 시스템 성능 저하 없이도 SINR 제약 조건을 보상 설계 목적 함수에 페널티 항으로 효과적으로 통합할 수 있는가?
• RQ3 통합 RadCom 보상 설계에서, 페널티 항을 포함한 가중치 보상 최적화와 기존의 제약 조건 기반 최적화 간의 성능-복잡도 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ4 페널티 기반 최적화와 제약 조건 기반 최적화 방법을 사용할 경우, 순순간 SINR는 얼마나 변동하는가?
• RQ5 리emann 다양체 알고리즘을 사용할 경우, 통합 RadCom 보상 설계에서 계산 복잡도는 얼마나 감소시킬 수 있으며, 근사 최적 성능는 유지되는가?

주요 결과

• 공유 배치가 레이더 빔패턴 품질과 다운링크 MU-MIMO SINR 간의 트레이드오프 측면에서 분리된 배치에 비해 뚜렷이 뛰어난 성능을 보였다.
• 제안된 가중치 보상 최적화는 원래의 제약 조건 기반 최적화와 매우 유사한 성능를 달성했으며, 계산 복잡도는 최대 10배 감소시켰다.
• 최대 SINR 페널티 설정은 총 제곱 SINR 페널티 설정보다 수렴 속도가 빠르고 전체 복잡도가 낮았다.
• 명시적인 평균 SINR 제약 조건이 존재하더라도, $K=4$ 및 $ ext{SNR}=18$ dB 조건에서 순순간 SINR는 14 dB에서 22 dB 사이로 변동하며, 실용적 구현에 있어 수용 가능한 변동 범위임을 시사한다.
• 가중치 보상 최적화의 실행 시간은 제약 조건 기반 최적화의 50% 미만으로 감소했으며, 전체 전력 제약 조건 하에서 최대 페널티 문제의 경우 수렴 속도가 가장 빠르게 나타났다.
• 가중치 보상 최적화의 순순간 SINR 분포는 제약 조건 기반 최적화보다 略로 더 산산이 흩어져 있지만, 복잡도 향상의 효과가 크기 때문에 이 변동은 수용 가능하다고 판단된다.