[논문 리뷰] Radar Precoder Design for Spectral Coexistence with Coordinated Multi-point (CoMP) System

Jasmin A. Mahal, Awais Khawar외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 14.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 27인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 MIMO 레이더와 Coordinated Multi-Point (CoMP) 이동통신 네트워크 간의 스펙트럼 공존을 위해, 간섭을 최소화하면서도 레이더 성능을 유지하는 데 초점을 맞춘 새로운 레이더 프리코더 설계를 제안한다. Switched Small Singular Value Space Projection (SSSVSP) 기법을 사용하여 기존의 Switched Null Space Projection (SNSP) 대비 간섭을 더 효과적으로 억제함으로써 레이더 성능 손실를 감소시킨다. 특히 채널 추정 오차가 존재하는 상황에서도 레이더 안테나 요소 수를 늘일수록 목표물 추정 정확도 향상에 가장 큰 기여를 한다고 입증한다.

ABSTRACT

This paper details the design of precoders for a MIMO radar spectrally coexistent with a MIMO cellular network. We focus on a coordinated multi-point (CoMP) system where a cluster of base stations (BSs) coordinate their transmissions to the intended user. The radar operates in two modes, interference-mitigation mode when it avoids interference with the CoMP system and cooperation mode when it exchanges information with it. Using either the conventional Switched Null Space Projection (SNSP) or the newly proposed Switched Small Singular Value Space Projection (SSSVSP), the radar beam sweeps across the BS clusters focusing on the optimal ones, optimal in either nullity or difference between the precoded and original radar signal. Taking the channel estimation error into account, the design of precoder is pivoted on the minimal radar interference at the BS clusters during interference-mitigation mode and minimal bit-error-rate at the BSs during cooperation mode while interfering minimally with the radar target detection capability. Our investigation shows that loss in radar performance can be compensated using SSSVSP instead of SNSP to some extent but increasing the number of radar antenna elements goes a long way to serve the purpose. Simulations verify our theoretical predictions about the proposed SSSVSP.

연구 동기 및 목표

• 공유 스펙트럼 대역에서 운영되는 MIMO 레이더와 CoMP 이동통신 네트워크 간의 스펙트럼 공존 문제를 해결하기 위해.
• 간섭 완화 모드에서 CoMP 기지국(BS) 클러스터에 유해한 간섭을 최소화하면서도 레이더 목표물 탐지 능력을 유지하기 위해.
• BS에서의 비트 오류율(BER)을 최소화하면서도 레이더 성능을 떨어뜨리지 않는 협업 모드 프리코더를 설계하기 위해.
• 양자화된 채널 추정 오차가 레이더 및 통신 시스템 성능에 미치는 영향을 두 운영 모드에서 평가하기 위해.
• 레인지 타겟 추정 및 간섭 완화 측면에서 SNSP와 제안된 SSSVSP의 성능을 비교하기 위해.

제안 방법

• 레이더는 두 가지 모드로 작동한다: 간섭 완화 모드에서는 CoMP 클러스터에 해로운 간섭을 일으키지 않도록 하며, 협업 모드에서는 네트워크와 정보를 교환한다.
• 간섭 완화 모드에서는 레이더가 CoMP 클러스터를 스위핑하며, 최대 노울리티 기반(SNSP) 또는 프리코딩된 신호와 원래 레이더 신호 간의 최소 편차 기반(SSSVSP)으로 최적의 클러스터를 선택한다.
• SSSVSP 방법은 채널 행렬의 작은 특이값 공간으로 레이더 비트를 투영함으로써 원래 레이더 신호의 왜곡을 최소화하면서도 BS 클러스터에서의 간섭을 억제한다.
• 협업 모드에서는 BER을 최소화하기 위해 Zero-Forcing (ZF) 및 Minimum Mean Square Error (MMSE) 기준을 사용해 프리코더를 설계한다.
• 채널 추정 오차는 명시적으로 모델링되어 프리코더 설계에 통합되어 실용적 구현 환경에서의 강인성을 확보한다.
• 성능 평가에는 레이더 목표물 방향 추정에 대한 Cramér-Rao Bound (CRB)와 통신 시스템의 BER을 사용하며, 레이더 및 BS 안테나 요소 수가 다양한 조건에서 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제안된 SSSVSP 방법은 기존의 SNSP 대비 CoMP 기지국 클러스터에서의 레이더 간섭을 얼마나 효과적으로 줄이고, 레이더 목표물 탐지 정확도를 유지할 수 있는가?
• RQ2 특히 채널 추정 오차 상황에서 SSSVSP는 프리코딩으로 인한 레이더 성능 저하를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 레이더 안테나 요소 수를 늘일 경우 간섭 완화 모드와 협업 모드에서 레이더 목표물 추정 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 BER 성능 및 에너지 효율성 측면에서 협업 모드에서 ZF와 MMSE 프리코딩 기법은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 레이더 안테나 요소 수를 늘림으로써 ZF와 MMSE 프리코더 간의 성능 격차를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• SSSVSP는 원래 레이더 신호의 구조를 더 잘 유지함으로써, 특히 악성 조건에서 SNSP 대비 레이더 성능 손실를 감소시킨다.
• 레이더 안테나 요소 수가 증가할수록 목표물 방향 추정에 대한 Cramér-Rao Bound (CRB)가 뚜렷이 향상되며, 이는 SSSVSP를 사용할 경우 더욱 두드러진다.
• 협업 모드에서는 낮은 신호 대 잡음비(ρ) 조건에서 ZF 프리코딩이 MMSE보다 BER 성능에서 뛰어나지만, 레이더 어레이 크기가 커질수록 성능 격차는 점점 줄어든다.
• 프리코딩과 채널 추정 오차로 인한 성능 저하를 보완하기 위해 SSSVSP를 단독으로 사용하는 것보다 레이더 안테나 요소 수를 늘리는 것이 훨씬 효과적이다.
• 시뮬레이션 결과, SNSP와 SSSVSP 모두 BS 클러스터에서의 간섭을 줄였지만, SSSVSP는 특히 레이더 요소 수가 26개를 초과할 경우 더 뛰어난 레이더 성능를 유지한다.
• 레이더 안테나 요소 수를 26개에서 100개로 늘임으로써 협업 모드에서 ZF와 MMSE 프리코더 간의 성능 격차가 뚜렷이 감소함을 확인하였으며, 이는 어레이 크기가 강건한 스펙트럼 공유를 가능하게 하는 핵심 요소임을 시사한다.