[논문 리뷰] Transmit Precoder Design Approaches for Dual-Function Radar-Communication Systems

Jacob Pritzker, James Ward외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 17.

Radar Systems and Signal Processing인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 레이더 감지 성능을 우선시하는 MIMO 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템을 위한 새로운 전송 프리코더 설계 방법을 제안한다. 이는 감지에 레이더 웨이브폼에 의존하도록 강제함으로써 이루어진다. 구간 기반 레이더 감지 모델과 새로운 레이더 전용 지표를 사용하여, 사용자가 정의한 레이더 또는 통신 성능 수준을 보장함으로써, 하위시스템 간 우선순위 조정이 가능하고, 이전 연구 대비 더 나은 애매함 함수 근사 성능을 달성한다.

ABSTRACT

As radio-frequency (RF) antenna, component and processing capabilities increase, the ability to perform multiple RF system functions from a common aperture is being realized. Conducting both radar and communications from the same system is potentially useful in vehicular, health monitoring, and surveillance settings. This paper considers multiple-input-multiple-output (MIMO) dual-function radar-communication (DFRC) systems in which the radar and communication modes use distinct baseband waveforms. A transmit precoder provides spatial multiplexing and power allocation among the radar and communication modes. Multiple precoder design approaches are introduced for a radar detection mode in which a total search volume is divided into dwells to be searched sequentially. The approaches are designed to enforce a reliance on radar waveforms for sensing purposes, yielding improved approximation of desired ambiguity functions over prior methods found in the literature. The methods are also shown via simulation to enable design flexibility, allowing for prioritization of either subsystem and specification of a desired level of radar or communication performance.

연구 동기 및 목표

• 무선 주파수 스펙트럼의 혼잡을 완화하기 위해 레이더와 통신을 위한 공통 스펙트럼 사용을 가능하게 하기 위해 이중기능 시스템을 도입한다.
• 기존의 통신을 우선시하거나 웨이브폼 임bedding에 의존하는 DFRC 기법의 한계를 극복하기 위해, 순차적 구간 탐지 모델 기반 레이더 감지에 초점을 맞춘다.
• 사용자가 지정한 수준의 레이더 또는 통신 성능을 보장하는 프리코더 설계 방법을 개발하여, 하위시스템 간 우선순위 조정이 가능한 설계를 가능하게 한다.
• 고품질의 레이더 웨이브폼에 의존함으로써 감지 정확도를 향상시키고, 원하는 애매함 함수 근사 성능을 향상시킨다.
• 기존의 빔포밍 기반 DFRC 접근법을 확장하여, 초기 목표 탐지에 적합한 새로운 레이더 전용 성능 지표를 도입한다.

제안 방법

• 순차적 구간 탐지에서의 레이더 감지에 특화된, 설계된 빔패턴과 목표 빔패턴 간 평균제곱오차(MSE) 기반의 새로운 레이더 지표를 도입한다.
• MSE 지표를 제약 조건으로 사용하여 사용자가 정의한 수준의 레이더 성능을 보장하는 레이더 보장 방법을 개발하며, 이는 볼록 최적화 문제로 공식화된다.
• 통신 사용자에게 최소 요구 신호대간섭비합계노이즈비(SINR)를 보장하면서도 레이더 성능을 유지하는 통신 보장 방법을 제안한다.
• 반탄성 프로그래밍과 고유값 분해를 활용하여 프리코더 설계 문제를 해석 가능한 볼록 최적화 문제로 변환하며, 타당성 보장을 확보한다.
• 두 단계 프리코더 구조를 적용: 하나는 레이더 빔패턴 형상 조절을 위한 것이고, 다른 하나는 빔포밍을 통한 통신 신호의 공간 다중화를 위한 것이다.
• 해결된 문제의 해에서 공분산 행렬에서 빔포머로의 변환을 적용하여 실제 전송 프리코더 행렬을 복원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DFRC 시스템은 순차적 구간 탐지 환경에서 통신 기능을 유지하면서도 보장된 레이더 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 레이더 또는 통신 하위시스템의 우선순위 조정이 가능한 설계를 통해 DFRC 시스템의 설계 탄력성은 어떻게 향상될 수 있는가?
• RQ3 제안된 방법은 기존 접근법 대비 원하는 애매함 함수 근사 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 빔패턴 MSE 기반의 새로운 레이더 지표가 초깃표적 탐지 시나리오에서 기존 지표보다 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ5 레이더 웨이브폼에 의존하도록 강제할 경우, 이중 레이더-통신 시스템의 전체 시스템 성능 및 내구성은 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• 제안된 레이더 보장 방법은 사용자가 정의한 레이더 성능 수준을 달성하며, 시뮬레이션 결과는 MSE 측면에서 이전 방법 대비 향상된 빔패턴 근사 성능을 보여준다.
• 통신 보장 방법은 고강도 레이더 전력 제약 조건 하에서도 모든 통신 사용자에게 최소 SINR 임계값을 유지하는 데 성공한다.
• 이 방법들은 사용자가 애플리케이션 특성에 맞게 레이더 또는 통신 하위시스템을 우선순위로 설정할 수 있도록 가능한 설계의 탄력성을 제공한다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 방법은 고각도 분산 또는 저SNR 조건에서 기존 방법보다 원하는 애매함 함수 근사 성능을 더 잘 달성함을 입증한다.
• 볼록 최적화 공식의 타당성이 수학적으로 증명되어, 표준 솔버를 통해 효율적으로 해를 계산할 수 있음을 보장한다.
• 공분산 행렬에서 빔포머로의 변환 과정이 성능 보장을 유지함을 입증하여, 프리코더 설계의 실용적 구현이 가능함을 보여준다.