[論文レビュー] A Wideband Dual Function Radar Communication System With Sparse Array and OFDM Waveforms

Zhaoyi Xu, Athina P. Petropulu|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2021

Radar Systems and Signal Processing参考文献 42被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、スパースなアレイとOFDM波形を用いた広帯域MIMO DFRCシステムを提案する。共有サブキャリアにより高レート通信を実現し、プライベートサブキャリアによりスパースリカバリーを用いたターゲット推定を可能にする。本システムは、プリコーディングとアンテナ選択を共同で最適化することで、周波数選択フェージング下での反復的精錬とチャネル推定を経て、パrameterの結合を克服し、センシングと通信の性能を統合的に最適化する。

ABSTRACT

A novel multiple-input multiple-output (MIMO) dual-function radar communication (DFRC) system is proposed. The system transmits wideband, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) waveforms using a small subset of the available antennas in each channel use. The proposed system assigns most carriers to antennas in a shared fashion, thus efficiently exploiting the available communication bandwidth, and a small set of subcarriers to active antennas in an exclusive fashion (private subcarriers). A novel target estimation approach is proposed to overcome the coupling of target parameters introduced by subcarrier sharing. The obtained parameters are further refined via an iterative approach, which formulates a sparse signal recovery problem based on the data of the private subcarriers. The system is endowed with beamforming capability, via waveform precoding and antenna selection. The precoding and antenna selection matrices are optimally co-designed to meet a joint sensing-communication system performance. The sparsity of the transmit array is exploited at the communication receiver to recover the transmitted information. The use of shared subcarriers enables high communication rate, while the sparse transmit array maintains low system hardware cost. The sensing problem is formulated by taking into account frequency selective fading, and a method is proposed to estimate the channel coefficients during the sensing process. The functionality of the proposed system is demonstrated via simulations.

研究の動機と目的

• 広帯域OFDM波形とスパースアンテナアレイを効率的に活用し、低ハードウェアコストと高スペクトル効率を実現する二機能レーダー通信システムの設計。
• 共有アパーチャーDFRCシステムにおけるサブキャリア共有に起因するターゲットパラメータの結合を解消するための新規推定および精錬手法の提案。
• 波形プリコーディングとアンテナ選択を共同最適化することで、レーダーセンシングの精度と通信データレートを同時に向上させる。
• 通信受信機における送信アレイのスパarsityを活用し、ハードウェア複雑性を増加させることなく信頼性の高い情報検出を実現する。
• センシングプロセス中に周波数選択フェージングチャネルをモデル化・推定し、システム性能のロバスト性を維持する。

提案手法

• 送信時にアンテナの一部のみが活性化されるスパースMIMOアレイを採用し、ハードウェアコストを低減しながらもビームフォーミング能力を維持する。
• 直交周波数分割多重（OFDM）波形を用い、大多数のサブキャリアを複数アンテナに共有して割り当て、帯域幅の利用を最大化する。
• 少数のサブキャリアを個々のアンテナに専用割り当て（プライベートサブキャリア）し、ターゲットパラメータの曖昧さのない推定を可能にする。
• 共有サブキャリアに起因するパラメータの結合を解消するための新規ターゲット推定手法を提案し、その後、プライベートサブキャリアデータに基づくスパース信号リカバリーの定式化を用いて反復的精錬を実施する。
• センシングと通信の統合最適化問題を定式化し、ハードウェア制約およびスペクトル制約の下で、プリコーディングとアンテナ選択行列を共同で最適化してシステム性能を最大化する。
• センシング中に周波数選択フェージングをモデル化し、利用可能な信号データを用いたチャネル係数推定により補償を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパースアレイの導入により、どのようにして低ハードウェアコストを実現しつつ高通信データレートを達成できるか？
• RQ2 共有アパーチャーMIMO-OFDM DFRCシステムにおけるサブキャリア共有に起因するターゲットパラメータの結合を効果的に解消する技術は何か？
• RQ3 プリコーディングとアンテナ選択をどのように共同設計することで、レーダーセンシング精度と通信スループットを同時に最適化できるか？
• RQ4 送信アレイのスパarsityを通信受信機でどのように活用すれば、ハードウェア複雑性を増加させずに信頼性の高い情報検出を実現できるか？
• RQ5 広帯域OFDMベースのDFRCシステムにおいて、センシングフェーズ中に周波数選択フェージングをどのように推定・補償できるか？

主な発見

• 共有サブキャリアを複数アンテナで活用することで、本システムは高い通信データレートを達成し、スペクトル効率を最大化する。
• 反復的ターゲット推定手法により、従来手法と比較してパラメータの誤差が低減され、推定精度が向上した。
• プリコーディングとアンテナ選択の共同最適化により、センシングと通信の性能トレードオフが顕著に改善された。
• プライベートサブキャリアの活用により、効果的なスパース信号リカバリーが実現され、受信機での信頼性の高い通信検出が可能になった。
• センシングプロセス中に正確なチャネル係数推定を実施したため、周波数選択フェージングに対してシステムはロバストであることが示された。
• シミュレーション結果から、提案手法DFRCシステムが、レーダー機能および通信機能の両方において高い性能を達成可能であることが確認された。