[論文レビュー] MIMO-OFDM Dual-Functional Radar-Communication Systems: Low-PAPR Waveform Design

Xiaoyan Hu, Christos Masouros+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Radar Systems and Signal Processing参考文献 31被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、パワーアンプの非線形歪みによる性能劣化を回避するため、PAPRと送信電力制約のもとでレーダと通信性能を統合最適化することにより、MIMO-OFDM二機能レーダ・コミュニケーション（DFRC）システム向けの低PAPR波形設計を提案する。重み付き目的関数と半正定値プログラミング（SDP）および半正定値緩和（SDR）を用いることで、グローバルに最適なランク1解が得られ、低複雑性かつ高スペクトル効率な実装が可能となる。

ABSTRACT

In this paper, we explore a dual-functional radar-communication (DFRC) system for achieving integrated sensing and communications (ISAC). The technique of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is leveraged to overcome the frequency-selective fading of the wideband multiple-input multiple-output (MIMO) systems with one multi-antenna DFRC base station (BS) and multiple single-antenna user equipment (UEs). In order to restrain the high peak-to-average power ratio (PAPR) of OFDM signals, we aim to jointly design low-PAPR DFRC MIMO-OFDM waveforms. This is done by utilizing a weighted objective function on both communication and radar performance metrics under power and PAPR constraints. The formulated optimization problems can be equivalently transformed into standard semi-definite programming (SDP) and can be effectively solved by semi-definite relaxation (SDR) method, where we prove that globally optimal rank-1 solution can be obtained in general. We further develop a low-complexity method to solve the problems with much reduced overheads. Moreover, the practical scenario with oversampling on OFDM signals is further considered, which has a significant effect on the resulting PAPR levels. The feasibility, effectiveness, and flexibility of the proposed low- PAPR DFRC MIMO-OFDM waveform design methods are demonstrated by a range of simulations on communication sum rate, symbol error rate as well as radar beampattern and detection probability.

研究の動機と目的

• MIMO-OFDM二機能レーダ・コミュニケーション（DFRC）システムにおける高いピーク対平均電力比（PAPR）が、非線形パワー・アンプ歪みにより性能を劣化させることに起因する課題に対処する。
• 重み付き目的関数を用いて、レーダビームパターンと通信合計スループットの両方の性能指標をバランスさせ、統合最適化する。
• PAPRおよび送信電力制約を最適化フレームワークに組み込むことで、実装可能性を確保する。
• リアルタイム実装に適した低複雑性で、フィードバックオーバーヘッドを低減した解決策を開発する。
• OFDM信号に及ぼすオーバーサンプリング効果を含めた拡張を図り、実世界の展開においてPAPRに顕著な影響を与える要因を統合する。

提案手法

• 重み付きレーダビームパターン利得と通信合計スループットの和を目的関数とする統合最適化問題を定式化する。
• 半正定値緩和（SDR）を用いて、非凸最適化問題を標準的な半正定値計画（SDP）に変換する。
• カールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件と行列ランク解析を用い、グローバルに最適な解がランク1であることを証明し、実用的な送信波形を保証する。
• ラグランジュ乗数を用いて最適性の必要条件を導出し、解行列Ψがフルランクであることを確認することで、ランク1ビームフォーミング解が得られることを示す。
• SDR解に基づく低複雑性手法を導入し、計算オーバーヘッドを低減しながら性能を維持する。
• 実用的なOFDM信号のオーバーサンプリング効果を考慮し、PAPRに与える影響を最適化プロセスに統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形歪みを引き起こすパワー・アンプの影響を軽減するため、MIMO-OFDM DFRCシステムで低PAPR波形をどのように設計できるか？
• RQ2 PAPRおよび電力制約のもとで、統合MIMO-OFDM DFRCシステムにおけるレーダ感度性能と通信レートの最適なトレードオフは何か？
• RQ3 統合最適化問題は、グローバルに最適なランク1解を有する凸SDPに再定式化可能か？
• RQ4 OFDM信号のオーバーサンプリングは、結果としてのPAPRにどのように影響を与え、波形設計に統合できるか？
• RQ5 提案された低PAPR波形を用いることで、通信スループット、シンボル誤り率、およびレーダ検出確率の面で、どの程度の性能向上が達成できるか？

主な発見

• 提案手法は、ビームフォーミング行列に対してグローバルに最適なランク1解を達成し、実用的かつ実装可能な送信波形を保証する。
• 半正定値緩和（SDR）アプローチにより、非凸問題が凸SDPに成功裏に変換され、効率的な計算が可能になる。
• シミュレーションにより、従来のOFDM波形と比較して、通信合計スループットとシンボル誤り率の性能が顕著に向上することが示された。
• レーダビームパターンは、高いメインローブ利得と低いサイド lob レベルを実現しており、効果的なセンシング性能が確認された。
• 最適化波形設計に起因する信号対インターーフェアランス＋ノイズ比（SINR）の向上により、検出確率が向上した。
• 低複雑性バージョンはフィードバックおよび計算オーバーヘッドを低減しながらも、ほぼ最適性能を維持しており、リアルタイム展開に適している。