[논문 리뷰] Optimal Transmit Beamforming for Integrated Sensing and Communication

Haocheng Hua, Jie Xu외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 24.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 46인용 수 33

한 줄 요약

본 논문은 SINR 및 전력 제약 하에 정보 신호와 전용 레이다 신호를 공동 최적화하여 다중 안테나 기지국에서 다운링크 ISAC 전송 빔포밍을 설계하고, 새로운 가중 빔패턴 이득 기준과 SDR 기반으로 전역 최적 해를 제공하는 두 수신기 유형을 도입한다.

ABSTRACT

This paper studies the transmit beamforming in a downlink integrated sensing and communication (ISAC) system, where a base station (BS) equipped with a uniform linear array (ULA) sends combined information-bearing and dedicated radar signals to simultaneously perform downlink multiuser communication and radar target sensing. Under this setup, we maximize the radar sensing performance (in terms of minimizing the beampattern matching errors or maximizing the minimum weighted beampattern gains), subject to the communication users' minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) requirements and the BS's transmit power constraints. In particular, we consider two types of communication receivers, namely Type-I and Type-II receivers, which do not have and do have the capability of cancelling the interference from the {\emph{a-priori}} known dedicated radar signals, respectively. Under both Type-I and Type-II receivers, the beampattern matching and minimum weighted beampattern gain maximization problems are globally optimally solved via applying the semidefinite relaxation (SDR) technique together with the rigorous proof of the tightness of SDR for both Type-I and Type-II receivers under the two design criteria. It is shown that at the optimality, radar signals are not required with Type-I receivers under some specific conditions, while radar signals are always needed to enhance the performance with Type-II receivers. Numerical results show that the minimum weighted beampattern gain maximization leads to significantly higher beampattern gains at the worst-case sensing angles with a much lower computational complexity than the beampattern matching design. We show that by exploiting the capability of canceling the interference caused by the radar signals, the case with Type-II receivers results in better sensing performance than that with Type-I receivers and other conventional designs.

연구 동기 및 목표

• sensing과 communication의 통합 필요성을 다중 안테나 빔포밍을 이용한 다운링크 무선 시스템에서 촉진한다.
• 정보 신호와 전용 레이다 신호를 공동으로 최적화하여 sensing 성능을 향상시키되 각 사용자 SINR 요구조건을 충족시킨다.
• 두 가지 센싱 설계 기준 및 두 수신기 유형을 비교하고 SDR이 전역 최적 해를 산출하는 조건을 제시한다.
• LOS 조건에서 레이다 신호의 필요성이 제거될 수 있는 상황과 ISAC에서의 전용 레이다 신호의 이점을 분석한다.

제안 방법

• BS를 균일한 선형 배열로 모델링하여 K명의 사용자에게 정보 신호를 전송하고 Rd로 표시된 전용 레이다 신호의 공분산을 설정한다.
• SINR 제약과 전력 한계 하에서 빔패턴 매칭(P1)과 최소 가중 빔패턴 이득 극대화(P2)의 두 비선형 최적화 문제를 형성한다.
• SDR을 가능하게 하기 위해 T_k = t_k t_k^H를 도입하고 이를 (P1.1)과 (P2.1)로 재구성한다.
• Propositions를 통해 SDR의 촘촘성(랭크-원)을 보이고 모든 T_k 및 Rd에 대해 랭크-원 최적성을 입증하여 Gaussian 무작위화의 필요성을 제거한다.
• 레이다 간섭을 제거할 수 없는 Type-I 수신기와 사전에 알려진 레이다 신호를 제거할 수 있는 Type-II 수신기를 정의하고 해당 SINR 식을 도출한다.
• 레이다 신호를 사용하지 않는 벤치마크 설계와 비교하여 전용 레이다 신호의 성능 향상을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전용 레이다 신호를 포함한 비선형 빔패턴 설계 문제(P1, P2)에 대해 SDR이 전역 최적 해를 제공할 수 있는가?
• RQ2 빔패턴 매칭 및 최소 가중 빔패턴 이득 설계 하에서 Type-I 및 Type-II 수신기가 달성 가능한 ISAC 성능은 어떻게 다른가?
• RQ3 전용 레이다 신호를 포함시키면 SINR 제약 하에서 빔패턴이 일관되게 향상되는가, 그리고 어떤 채널 조건에서 필요하지 않을 수 있는가?
• RQ4 전통적 빔패턴 매칭에 비해 최소 가중 빔패턴 이득 설계가 sensing 성능 및 계산 복잡도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 네 가지 설계(P1 vs P2, Type-I vs Type-II 수신기)와 레이다 신호가 없는 설계 간의 기본 성능 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 네 문제에 대한 SDR이 촘촘하게 성립하여 전역 최적의 랭크-원 해를 제공한다는 것이 입증된다.
• 전용 레이다 신호는 일반적으로 설계 및 수신기 유형에 관계없이 ISAC 성능을 향상시키며 전체 공간 자유도(DoF)를 활용한다.
• Type-II 수신기의 경우 레이다 간섭 제거가 Type-I 수신기 및 기존 설계보다 sensing 성능을 향상시킨다.
• 최소 가중 빔패턴 이득 극대화 설계는 관심 각도에서 더 강한 빔패턴 이득을 제공하고 빔패턴 매칭보다 계산 복잡도가 낮다.
• Type-I 수신기의 LOS 시나리오에서 전용 레이다 신호의 필요성이 없을 수 있으며, 이는 채널 조건에 따라 설계가 달라짐을 시사한다.
• 수치 결과는 최소 가중 설계가 sensing 품질 및 계산 속도 면에서 빔패턴 매칭보다 우수함을 보여준다.