[논문 리뷰] Waveform Optimization with Multiple Performance Metrics for Broadband Joint Communication and Radar Sensing

Zhitong Ni, J. Andrew Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 22.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 광대역 공동 통신 및 레이더 센싱(JCAS) 시스템을 위한 새로운 웨이브포트 최적화 프레임워크를 제안하며, 상호정보량 또는 크래머-라오 경계(Cramér-Rao bound)를 지표로 하여 통신의 합산 비트 전송률과 레이더 센싱 성능을 동시에 최적화한다. 실용적인 제약 조건 하에서 비볼록 다중목표 최적화 문제에 대해 닫힌 형태의 해와 반복적 해법을 도출하여 수치적 검증을 통해 시스템 성능 향상을 입증한다.

ABSTRACT

Joint communication and radar sensing (JCAS) integrates communication and radar/radio sensing into one system, sharing one transmitted signal. In this paper, we investigate JCAS waveform optimization underlying communication signals, where a base station detects radar targets and communicates with mobile users simultaneously. We first develop individual novel waveform optimization problems for communications and sensing, respectively. For communications, we propose a novel lower bound of sum rate by integrating multi-user interference and effective channel gain into one metric that simplifies the optimization of the sum rate. For radar sensing, we consider optimizing one of two metrics, the mutual information or the Cramer-Rao bound. Then, we formulate the JCAS problem by optimizing the communication metric under different constraints of the radar metric, and we obtain both closed-form solutions and iterative solutions to the non-convex JCAS optimization problem. Numerical results are provided and verify the proposed optimization solutions.

연구 동기 및 목표

• JCAS 시스템에서 통신과 레이더 센싱의 다수 성능 지표를 동시에 고려하는 통합 최적화 프레임워크의 부족을 해결한다.
• 최적화를 단순화하기 위해 다중 사용자 간섭과 유효 채널 이득을 통합한 새로운 합산 비트 전송률에 대한 하한을 제안한다.
• 레이더 센싱 지표(예: 상호정보량 또는 크래머-라오 경계)에 대한 제약 조건 하에 통신 성능을 우선시하는 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 공동 설계에서 발생하는 비볼록 최적화 문제에 대해 닫힌 형태 및 반복적 해법을 제공한다.
• 실제 광대역 JCAS 시스템 조건 하에서 제안된 프레임워크의 효과성을 수치 결과로 검증한다.

제안 방법

• 최적화의 타당성을 높이기 위해 다중 사용자 간섭과 유효 채널 이득을 하나의 지표로 통합한 새로운 합산 비트 전송률 하한을 도입한다.
• 레이더 센싱 성능을 상호정보량(MI) 또는 크래머-라오 경계(CRB)를 목적 함수로 모델링한다.
• 통신 합산 비트 전송률을 최대화하면서 레이더 센싱 성능 지표에 대한 제약 조건을 포함한 다중목표 최적화 문제를 수립한다.
• 라그랑주 승수법과 고유값 분해 기법을 사용하여 특정 조건 하에서 닫힌 형태의 해를 유도한다.
• 닫힌 형태의 해가 불가능한 경우 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 다중수단 방법 기반의 반복 알고리즘을 제안한다.
• 행렬 미적분학과 섭동 분석을 활용하여 웨이브포트 파ameter에 대한 목적 함수 및 제약 조건 함수의 기울기(gradient)를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 레이더 센싱 성능 수준을 유지하면서 JCAS 시스템에서 통신 합산 비트 전송률을 효과적으로 최적화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 다중 사용자 간섭과 유효 채널 이득을 하나의 지표로 통합할 경우, 합산 비트 전송률 최적화의 타당성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 상호정보량과 크래머-라오 경계라는 서로 다른 레이더 센싱 지표는 웨이브포트 설계를 제약하고 이끌기 위해 얼마나 효과적인가?
• RQ4 광대역 JCAS 시스템에서 공동 최적화 문제에 대해 닫힌 형태의 해를 도출할 수 있는 조건는 무엇인가?
• RQ5 닫힌 형태의 해가 불가능한 경우 어떤 반복적 알고리즘 접근 방식이 수렴성과 성능 향상을 보장하는가?

주요 결과

• 제안된 합산 비트 전송률 하한은 다중 사용자 간섭과 채널 이득 간의 상호 보완적 관계를 효과적으로 반영하여 보다 정확하고 타당한 최적화를 가능하게 한다.
• 레이더 제약 조건이 크래머-라오 경계에 기반하고 있으며 웨이브포트 행렬에 특정한 구조적 가정이 만족될 경우, 닫힌 형태의 해가 도출된다.
• 더 일반적인 경우에 대해서는 반복 알고리즘이 수렴하여 주어진 제약 조건 하에서 통신 합산 비트 전송률과 레이더 센싱 성능을 모두 향상시키는 해를 제공한다.
• 수치 결과는 제안된 최적화 프레임워크가 기존의 웨이브포트 설계 대비 더 높은 합산 비트 전송률과 향상된 레이더 추정 정확도를 달성함을 확인한다.
• 프레임워크는 사용자 수와 타깃 수의 변화에 대해 뛰어난 강인성을 보이며, 단일 지표만 최적화하는 기존 기반 방법보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 레이더 지표로 상호정보량을 사용할 경우 스펙트럼 효율성과 센싱 정확도를 동시에 최적화할 수 있으며, 특히 주파수 선택성 fading 환경에서 유리하다.