[论文解读] MetaRadar: Multi-target Detection for Reconfigurable Intelligent Surface Aided Radar Systems

Haobo Zhang, Hongliang Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 6

一句话总结

MetaRadar 提出了一种可重构智能表面（RIS）辅助的雷达系统，通过联合优化雷达波形和RIS相位移，显著提升了多目标检测的准确性。WPSO算法实现了动态信道定制，在仿真中显著优于传统雷达系统，检测概率和角度分辨率均有显著提升。

ABSTRACT

As a widely used localization and sensing technique, radars will play an important role in future wireless networks. However, the wireless channels between the radar and the targets are passively adopted by traditional radars, which limits the performance of target detection. To address this issue, we propose to use the reconfigurable intelligent surface (RIS) to improve the detection accuracy of radar systems due to its capability to customize channel conditions by adjusting its phase shifts, which is referred to as MetaRadar. In such a system, it is challenging to jointly optimize both radar waveforms and RIS phase shifts in order to improve the multi-target detection performance. To tackle this challenge, we design a waveform and phase shift optimization (WPSO) algorithm to effectively solve the multi-target detection problem, and also analyze the performance of the proposed MetaRadar scheme theoretically. Simulation results show that the detection performance of the MetaRadar scheme is significantly better than that of the traditional radar schemes.

研究动机与目标

• 为解决传统雷达被动依赖无线信道所导致的性能局限性。
• 克服联合优化雷达波形与RIS相位移以提升多目标检测性能的挑战。
• 设计一种新型RIS辅助雷达框架——MetaRadar，通过主动调控传播环境以提升检测准确性。
• 对所提系统的性能增益进行理论分析与实验验证。

提出的方法

• 提出一种RIS辅助雷达架构，其中RIS动态重构其相位移以定制信道条件。
• 开发一种波形与相位移优化（WPSO）算法，联合优化雷达波形与RIS相位移。
• 将多目标检测问题建模为发射波形与RIS反射系数的联合优化，以最大化检测性能。
• 采用考虑RIS引起的信道重构与目标回波形成的信号模型。
• 采用随机优化框架以处理联合优化问题的非凸性质。
• 利用检测概率与角度分辨率的理论界分析系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用RIS提升雷达系统中的多目标检测性能？
• RQ2 雷达波形与RIS相位移的最优联合设计是什么，以实现检测性能的提升？
• RQ3 RIS辅助雷达系统在检测准确率与分辨率方面与传统雷达系统相比如何？
• RQ4 RIS辅助多目标检测可推导出哪些理论性能边界？

主要发现

• 与传统雷达系统相比，MetaRadar方案在低信噪比（SNR）环境下显著提升了检测概率。
• 波形与RIS相位移的联合优化实现了更优的角度分辨率，从而更准确地区分目标。
• 仿真结果表明，MetaRadar在检测准确率与抗信道衰落鲁棒性方面均优于传统雷达系统。
• 理论分析证实，RIS部署可提升有效信噪比并降低多径失真。
• WPSO算法收敛迅速，在实际部署场景中可提供近似最优性能。
• 该系统在不同目标数量与RIS单元数下表现出良好的可扩展性与自适应能力。