[論文レビュー] Composite Signalling for DFRC: Dedicated Probing Signal or Not?

Li Chen, Fan Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2020

Radar Systems and Signal Processing参考文献 29被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、双機能レーダ・コミュニケーション（DFRC）システムにおける共同送信・受信 beamforming を調査し、単一通信ユーザー（CU）状況では専用のプロービング信号が不要であるが、複数CU環境では有益であることを示している。本稿では、ランク1の解を保証する半定値緩和（SDR）に基づく最適化フレームワークを提案し、専用信号が通信ユーザーにおける干渉除去を犠牲にしつつレーダのSINRを向上させることを示している。

ABSTRACT

Dual-functional radar-communication (DFRC) is a promising new solution to simultaneously probe the radar target and transmit information in wireless networks. In this paper, we study the joint optimization of transmit and receive beamforming for the DFRC system. Specifically, the signal to interference plus noise ratio (SINR) of the radar is maximized under the SINR constraints of the communication user (CU), which characterizes the optimal tradeoff between radar and communication. In addition to simply using the communication signal for target probing, we further consider to exploit dedicated probing signals to enhance the radar sensing performance. We commence by studying the single-CU scenario, where a closed-form solution to the beamforming design problem is provided. It is then proved that a dedicated radar probing signal is not needed. As a further step, we consider a more complicated multi-CU scenario, where the beamforming design is formulated as a non-convex quadratically constrained quadratic programming. The optimal solutions are obtained by applying semidefinite relaxation with guaranteed rank-1 property. It is shown that under the multi-CU scenario, the dedicated probing signal should be employed to improve the radar performance at the cost of implementing an additional interference cancellation at the CU. Finally, the numerical simulations are provided to verify the effectiveness of the proposed algorithm.

研究の動機と目的

• 無線ネットワークにおけるレーダと通信の周波数帯域共有の課題に対処すること、特にミリ波帯域を対象とする。
• DFRCシステムにおける送信および受信 beamforming を共同最適化し、レーダセンシングと通信品質のバランスを取ること。
• 通信信号のみを用いる場合に比べ、専用プロービング信号がレーダ性能を向上させるかどうかを特定すること。
• 複数通信ユーザーのSINR制約を満たしつつ、レーダ性能を最大化する共同 beamforming 設計を開発すること。

提案手法

• 複数CUを有するDFRCシステムにおける共同送信・受信 beamforming を目的とした非凸な二次制約付き二次計画問題（QCQP）を定式化する。
• 最適化問題に半定値緩和（SDR）を適用し、実用的な beamformer を得るために最適解がランク1の構造を維持することを保証する。
• ラグランジュ双対性およびカールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を用いて beamforming 解の最適性を分析する。
• 双対変数 μ および干渉行列の主固有値に基づき、最適プロービング信号が専用信号であるか、ゼロであるかの条件を導出する。
• 多CUの場合に、双対変数 μ* が κ より大きいとき、レーダSINRを最大にするために非ゼロの専用プロービング信号が必要であることを証明する。
• 専用プロービング信号が使用される場合、通信ユーザーはSINR制約を維持するために追加の干渉除去を実装する必要があることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一通信ユーザー（CU）DFRCシステムでは、レーダSINRを最大にするために専用プロービング信号が必須であるか？
• RQ2 複数の通信ユーザーが存在する場合、DFRCシステムにおける専用プロービング信号の必要性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 SINR制約下で、レーダ性能と通信品質を最適にバランスさせるビームフォーミング戦略は何か？
• RQ4 半定値緩和は、複数ユーザーDFRCシステムにおけるビームフォーミングベクトルに対してランク1の解を保証できるか？
• RQ5 最適プロービング信号がゼロとなる条件は何か（すなわち、専用信号の必要がない状況）？

主な発見

• 単一CU状況では、専用プロービング信号は不要であり、通信信号のみで十分にレーダSINRを最大にできる。
• 多CU状況では、レーダ性能を向上させるために専用プロービング信号が必要であり、最適ビームフォーミングベクトルは双対変数 μ* が干渉行列の主固有値 κ より大きい場合にのみ非ゼロとなる。
• 提案された半定値緩和手法は、すべてのビームフォーミング行列に対してランク1の解を保証し、実用的なビームフォーマー設計を可能にする。
• 双対変数 μ* が κ と等しい場合、最適ビームフォーミングベクトルはゼロとなり、これは単一CU状況では専用信号の必要がないことを示している。
• 多CU状況で専用プロービング信号が使用される場合、通信ユーザーはSINR制約を維持するために追加の干渉除去を実装する必要がある。
• 数値シミュレーションにより、提案アルゴリズムがレーダと通信性能の最適トレードオフを達成できることを確認した。