[논문 리뷰] Rate-Splitting Multiple Access for Multi-Antenna Joint Radar and Communications with Partial CSIT: Precoder Optimization and Link-Level Simulations

Rafael Cerna Loli, Onur Dizdar외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 25.

Radar Systems and Signal Processing인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 부분적 채널 상태 정보를 갖는 송신기(Partial CSIT) 하에서 다중 안테나 환경을 고려한, rate-splitting multiple access(RSMA) 기반의 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템을 제안한다. 수신기 성능을 동시에 최적화하기 위해 예측기 최적화를 통해 가중치 합성능을 극대화하고 레이더 빔패턴의 평균 제곱오차를 최소화한다. RSMA는 CSIT의 불확실성에 대해 뛰어난 내성성을 보이며, 이론적 및 링크 수준 시뮬레이션에서 SDMA 및 NOMA를 뛰어넘는 성능을 보인다. 특히 이동성과 유한 길이 코딩 제약 조건 하에서 두각을 나타낸다.

ABSTRACT

Dual-Functional Radar-Communication (DFRC) systems have been investigated to manage the inter-system interference between radar and communication systems. However, the studies in literature often assume that the DFRC possesses perfect Channel State Information at the Transmitter (CSIT), which is an unrealistic assumption due to the inevitable CSIT errors in practical deployments. In this work, we aim to design a DFRC system under the practical assumption of partial CSIT. To achieve this, the proposed DFRC marries the capabilities of a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) radar with Rate-Splitting Multiple Access (RSMA). RSMA is a powerful downlink communication scheme based on linearly precoded Rate-Splitting (RS) that partially decodes multi-user interference (MUI) and partially treats it as noise and is inherently robust to partial CSIT. Using RSMA, the DFRC precoders are optimized in the presence of partial CSIT to simultaneously maximize the Average Weighted Sum-Rate (AWSR) under Quality-of-Service (QoS) constraints and minimize the DFRC beampattern Mean Squared Error (MSE) against an ideal MIMO radar beampattern. Simulation results demonstrate that the RSMA-based DFRC largely outperforms DFRCs based on other commonly used strategies such as Space Division Multiple Access (SDMA) and Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA). Specifically, the common stream unique in the RSMA-based DFRC allows for flexible rate partitioning to guarantee user rate fairness with partial CSIT while also being the main contributor to generating a directional beampattern for effective radar sensing. The practical performance of the DFRC is then further assessed through Link-Level simulations (LLS) to take into account the effects of coding and modulation in the finite length regime as well as the channel aging due to mobility and latency, where the superiority of RSMA is again corroborated.

연구 동기 및 목표

• 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템에서 비완전한 CSIT의 실용적 과제를 해결하기 위해.
• 통신 성능을 극대화하면서도 고해상도 레이더 빔패턴 직접성을 유지하는 통합 레이더 및 통신 시스템을 설계하기 위해.
• 완벽한 CSIT에 의존하는 이전 연구의 한계를 극복하고, 빔패턴 MSE와 같은 간접적인 레이더 지표를 피하기 위해.
• 유한 길이 코딩과 변조를 고려한 링크 수준 시뮬레이션을 통해 현실 조건에서의 시스템 성능을 평가하기 위해.
• 부분적 CSIT 하에서 RSMA가 SDMA 및 NOMA에 비해 내성성, 공정성, 레이더 감지 정확도 측면에서 뛰어난 성능을 보임을 입증하기 위해.

제안 방법

• MIMO 레이더와 RSMA를 융합한 다중 안테나 DFRC 시스템을 제안하여 통신 및 감지 기능을 동시에 구현한다.
• 데이터를 공통 및 개인 스트림으로 분할하여 다중 사용자 간섭을 부분적으로 복원하고, 부분적으로 노이즈로 간주함으로써 rate-splitting을 적용한다.
• 부분적 CSIT 하에서 강건한 성능을 확보하기 위해 ADMM 기반 최적화 알고리즘을 활용해 예측기를 공동 설계한다.
• 실제 빔패턴과 목표 빔패턴 간의 평균 제곱오차(MSE)를 최소화하여 레이더 직접성을 확보한다.
• 유한 길이 코딩과 변조를 고려한 실용적 성능 평가를 위해 링크 수준 시뮬레이션에서 가중치 통과량 지표를 도입한다.
• 현실적인 시스템 평가를 위해 QAM 변조, 펄스 코딩, 적응형 변조 및 코딩(AMC)을 적용한 1층 RSMA 송수신기 아키텍처를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부분적 CSIT 하에서 고정된 통신 성능과 정확한 레이더 빔패턴을 유지할 수 있는 DFRC 시스템은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 다양한 다중접속 방식(RSMA, SDMA, NOMA)이 통합 레이더-통신 시스템에서 부분적 CSIT의 영향을 어떻게 받는가?
• RQ3 RSMA의 공통 스트림은 DFRC에서 어떻게 통신 성능의 공정성과 방향성 빔패턴 형성에 기여하는가?
• RQ4 유한 길이 코딩과 변조를 고려한 링크 수준 시뮬레이션은 RSMA 기반 DFRC의 이론적 합성률 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 왜 NOMA 기반 DFRC는 디코딩 오류가 발생하는 이동성 환경에서 성능이 열 劣하는가?

주요 결과

• RSMA 기반 DFRC는 부분적 CSIT 하에서 평균 가중치 합성능(AWSR)과 빔패턴 MSE 사이의 최적 트레이드오프를 달성하며, SDMA 및 NOMA를 능가한다.
• RSMA의 공통 스트림은 불완전한 CSIT 하에서도 사용자 간 성능 공정성을 보장하는 탄력적인 비율 분할을 가능하게 한다.
• 공통 스트림은 주로 방향성 빔패턴 형성에 기여하여 레이더 감지 성능을 향상시킨다.
• 링크 수준 시뮬레이션은 RSMA가 특히 유한 길이 코딩과 변조, 고속 이동성 환경에서 SDMA 및 NOMA를 뛰어넘는 성능을 보임을 확인한다.
• NOMA 기반 DFRC는 순차적 간섭 제거(SIC) 계층에서 오류 전파로 인해 스루풋이 심각하게 저하되어 성능이 열 劣한다.
• 빔패턴의 MSE를 최소화하면 레이더 지표가 향상되며, 이는 더 높은 레이더 상호정보량(RMI)과 낮은 크래머-라오 경계(CRB)를 의미한다.