[논문 리뷰] Rate-Splitting Multiple Access for Multi-Antenna Joint Radar and Communications

Chengcheng Xu, Bruno Clerckx외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 14.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 37인용 수 160

한 줄 요약

이 논문은 통신 비트율과 레이더 비트패턴 일치를 공동으로 최적화하는 다중 안테나 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템을 제안한다. RSMA에서 공통 스트림을 활용하여 사용자 간 간섭과 레이더 및 통신 간 간섭을 관리함으로써, 가중합비트율(WSR)과 비트패턴 근사화 평균제곱오차(MSE) 사이의 우수한 트레이드오프 성능을 달성한다. 이는 전용 레이더 시퀀스가 없는 SDMA 기반 DFRC보다 성능이 뛰어나며, 추가적인 레이더 시퀀스와 SIC가 필요로 하지 않아 시스템 아키텍처가 단순화되면서도 성능 손실 없이 구현된다.

ABSTRACT

Dual-Functional Radar-Communication (DFRC) system is an essential and promising technique for beyond 5G. In this work, we propose a powerful and unified multi-antenna DFRC transmission framework, where an additional radar sequence is transmitted apart from communication streams to enhance radar beampattern matching capability, and Rate-Splitting Multiple Access (RSMA) is adopted to better manage the interference. RSMA relies on multi-antenna Rate-Splitting (RS) with Successive Interference Cancellation (SIC) receivers, and the split and encoding of messages into common and private streams. We design the message split and the precoders of the radar sequence and communication streams to jointly maximize the Weighted Sum Rate (WSR) and minimize the radar beampattern approximation Mean Square Error (MSE) subject to the per antenna power constraint. An iterative algorithm based on Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM) is developed to solve the problem. Numerical results first show that RSMA-assisted DFRC achieves a better tradeoff between WSR and beampattern approximation than Space-Division Multiple Access (SDMA)-assisted DFRC with or without radar sequence, and other simpler radar-communication strategies using orthogonal resources. We also show that the RSMA-assisted DFRC frameworks with and without radar sequence achieve the same tradeoff performance. This is because that the common stream is better exploited in the proposed framework. The common stream of RSMA fulfils the triple function of managing interference among communication users, managing interference between communication and radar, and beampattern approximation. Therefore, by enabling RSMA in DFRC, the system performance is enhanced while the system architecture is simplified since there is no need to use additional radar sequence and SIC. We conclude that RSMA is a more powerful multiple access for DFRC.

연구 동기 및 목표

• 5G 및 그 이상의 시대에서의 스펙트럼 부족 문제를 해결하기 위해 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템을 통해 통합 감지 및 통신(ISAC)을 실현한다.
• 공간분할다중접근(SDMA) 기반 기존 DFRC 기법의 한계를 극복한다. 이는 레이더 기능과 통신 기능 간 간섭 관리 및 통신 사용자 간 간섭 관리에 어려움을 겪는다.
• 안테나당 전력 제약 조건 하에 가중합비트율(WSR)을 최대화하고 레이더 비트패턴 근사화 평균제곱오차(MSE)를 최소화하는 통합 전송 프레임워크를 개발한다.
• RSMA를 통해 전용 레이더 시퀀스가 필요 없도록 하며, 공통 스트림을 활용해 간섭 관리, 레이더 비트패턴 형상 조절, 통신 멀티플렉싱의 다중 기능을 수행한다.

제안 방법

• 메시지를 공통 스트림과 프라이빗 스트림으로 분할하는 새로운 RSMA 기반 DFRC 아키텍처를 제안하며, 공통 스트림을 레이더 비트패턴 형상 조절에 사용한다.
• 안테나당 전력 제약 조건 하에 레이더 시퀀스, 공통 스트림, 프라이빗 스트림의 프리코더를 공동으로 설계하여 WSR 최적화와 MSE 최소화를 달성한다.
• 수신단에서 Rate-Splitting(RS)과 순차적 간섭 제거(SIC)를 활용하여 공통 스트림을 디코딩하고 간섭을 선택적으로 제거한다.
• WSR 최대화와 MSE 최소화를 통합한 비볼록 최적화 문제를 수립하고, 이는 분할된 다중승수법(ADMM) 알고리즘을 통해 해결한다.
• SIC 수신기를 통합하여 레이더와 통신 간 간섭뿐 아니라 통신 사용자 간 간섭까지 관리하며, 공통 스트림의 이중 목적 기능을 활용한다.
• 공통 스트림을 가상의 레이더 웨이브폼으로 활용하여 별도의 레이더 시퀀스가 필요로 하지 않으면서도 비트패턴 정확도를 유지하거나 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RSMA는 기존의 SDMA 기반 DFRC에 비해 통신 비트율과 레이더 비트패턴 정확도 사이의 트레이드오프 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 RSMA의 공통 스트림은 통신 사용자 간 간섭과 레이더 및 통신 간 간섭을 동시에 관리할 수 있으며, 이로 인해 전용 레이더 시퀀스가 필요로 하지 않는가?
• RQ3 SIC가 적용된 경우 RSMA 기반 DFRC와 SDMA 기반 DFRC(전용 레이더 시퀀스 유무)의 성능 비교는 어떻게 되는가?
• RQ4 RSMA의 SIC 수신기는 통신 사용자 간 간섭과 레이더 및 통신 간 간섭을 동시에 제거하기 위해 활용될 수 있으며, 이는 시스템 설계를 단순화하는가?
• RQ5 공통 스트림의 비트패턴 근사화에서의 역할 영향은 무엇이며, 전용 레이더 시퀀스와 성능이 동등한가?

주요 결과

• 전용 레이더 시퀀스가 없는 RSMA 기반 DFRC는 레이더 시퀀스가 존재하는 경우와 동일한 WSR-비트패턴 MSE 트레이드오프 성능을 달성하여, 공통 스트림이 레이더 시퀀스를 완전히 대체할 수 있음을 입증한다.
• RSMA의 공통 스트림은 세 가지 기능을 동시에 수행한다: 통신 사용자 간 간섭 관리, 레이더 및 통신 간 간섭 관리, 레이더 비트패턴 형상 조절.
• RSMA는 전용 레이더 시퀀스가 있는지 여부에 관계없이 SDMA 기반 DFRC보다 성능이 뛰어나며, 특히 α < 0.78 범위에서 WSR과 MSE 사이의 트레이드오프에서 성능 향상을 보인다.
• RSMA의 SIC 수신기는 통신 사용자 간 간섭과 레이더 및 통신 간 간섭을 동시에 제거하기 위해 효과적으로 활용되며, 이는 더 높은 스펙트럼 효율성과 시스템 단순화를 가능하게 한다.
• 수치 결과는 ADMM 기반 알고리즘이 약 10회 반복 내에 수렴함을 확인하여, 비볼록 문제의 효율적이고 안정적인 최적화가 가능함을 보여준다.
• RSMA 기반 DFRC에서 전용 레이더 시퀀스가 없음으로써 시스템 아키텍처가 단순화되며, 공통 스트림이 레이더 시퀀스의 기능을 모두 수반함으로써 성능 손실 없이도 구현 가능하다.