[論文レビュー] Joint Radar and Communication Design: Applications, State-of-the-art, and the Road Ahead

Fan Liu, Christos Masouros+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2019

Radar Systems and Signal Processing参考文献 103被引用数 26

ひとこと要約

本稿は、ミリ波帯の二重機能型レーダ・通信（DFRC）ベースステーション向けに、アナログ・デジタルハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャを提案し、同時にターゲット検出とユーザー機器の通信を可能にする。オムニディレクショナルパイロットと逐次干渉キャンセレーション（SIC）を活用することで、定常位相変調およびパワー制約下で、ターゲットとチャネルの事前等化の両方に対するビームフォーミングを実現する。シミュレーションにより、レーダ機能と通信機能の有効な共存が確認された。

ABSTRACT

In this paper, we firstly overview the application scenarios and the research progress in the area of communication and radar spectrum sharing (CRSS). We then propose a novel transceiver architecture and frame structure for a dual-functional radar-communication (DFRC) base station (BS) operating in the millimeter wave (mmWave) band, using the hybrid analog-digital (HAD) beamforming technique. We assume that the BS is serving a multi-antenna aided user equipment (UE) operating in a mmWave channel, which in the meantime actively detects multiple targets. Note that part of the targets also play the role of scatterers for the communication signal. Given this framework, we propose a novel scheme for joint target search and communication channel estimation relying on the omni-directional pilot signals generated by the HAD structure. Given a fully-digital communication precoder and a desired radar transmit beampattern, we propose to design the analog and digital precoders under non-convex constant-modulus (CM) and power constraints, such that the BS can formulate narrow beams towards all the targets, while pre-equalizing the impact of the communication channel. Furthermore, we design an HAD receiver that can simultaneously process signals from the UE and echo waves from the targets. By tracking the angular variation of the targets, we show that it is possible to recover the target echoes and mitigate the potential interference imposed on the UE signals by invoking the successive interference cancellation (SIC) technique, even when the radar and communication signals share the equivalent signal-to-noise ratio (SNR). The feasibility and the efficiency of the proposed approaches in realizing DFRC are verified via numerical simulations. Finally, our discussions are summarized by overviewing the open problems in the research field of CRSS.

研究の動機と目的

• 共有されたmmWave帯域における共同レーダ・通信運用を可能にすることで、スペクトル混雑を緩和すること。
• センシングと通信の両方の機能をサポートする統合型ハードウェアプラットフォームの設計。
• 同時にターゲット検出とユーザー機器の通信が可能な受信機アーキテクチャの開発。
• 逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いた、レーダエコーと通信信号間の干渉低減。
• 複数のターゲット向けビームフォーミングを実現するため、定常位相変調およびパワー制約下でのアナログおよびデジタルプレコーディングの最適化。

提案手法

• mmWave帯で動作するDFRCベースステーション向けに、ハイブリッドアナログデジタル（HAD）ビームフォーミングアーキテクチャを設計。
• HAD構造が生成するオムニディレクショナルパイロット信号を活用し、共同ターゲット探索とチャネル推定を可能にする。
• 非凸な定常位相変調および総パワー制約下でアナログおよびデジタルプレコーディングを最適化し、ターゲットに向けて狭いビームを形成する。
• ユーザー機器からの通信信号とレーダターゲットからのエコー信号の両方を処理可能なHAD受信機を統合。
• ターゲットの角度変動を追跡することで、エコー回復と干渉低減のための逐次干渉キャンセレーション（SIC）を可能にする。
• ユニタリおよびパワー制約下で最適プレコーディング解を導出するために、有効チャネル行列の特異値分解（SVD）を適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのmmWaveベースステーションが、共有ハードウェアとスペクトルを用いて、通信とレーダセンシングを効率的に同時にサポートする方法は何か？
• RQ2 定常位相変調制約下で、同時にターゲット追跡と通信チャネルの事前等化を実現するビームフォーミング設計は何か？
• RQ3 レーダと通信の信号対ノイズ比（SNR）が同等である状況下で、レーダエコーからの干渉をどのように低減できるか？
• RQ4 逐次干渉キャンセレーション（SIC）は、同じ帯域内でレーダ信号と通信信号の共存をどのように可能にするか？
• RQ5 レーダビームパターン要件と通信のサービス品質（QoS）を満たしつつ、高いスペクトル効率を維持するにはどうすればよいか？

主な発見

• 提案されたHADビームフォーミング設計は、定常位相変調およびパワー制約下で、複数のターゲットに向けて狭いビームを形成するとともに、通信チャネルの事前等化を成功裏に実現した。
• 数値的シミュレーションにより、mmWave帯における共同レーダ・通信システムの実現可能性と効率性が検証された。
• 逐次干渉キャンセレーション（SIC）により、レーダと通信信号が同等のSNRを経験しても、ターゲットエコーの効果的な回復が可能となった。
• HAD構造が生成するオムニディレクショナルパイロット信号を用いて、共同ターゲット検出とチャネル推定が実現された。
• 最適デジタルプレコーディングは、有効チャネル行列のSVDを用いて導出され、ユニタリ構造の維持と通信領域における干渉のノルミングを保証した。
• 導出された解は非凸な定常位相変調制約を満たしており、通信信号からの干渉がレーダエコーでノルム化されていることを保証した。