[論文レビュー] Rate-Splitting Multiple Access for Multi-Antenna Joint Radar and Communications with Partial CSIT: Precoder Optimization and Link-Level Simulations

Rafael Cerna Loli, Onur Dizdar+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2022

Radar Systems and Signal Processing被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、送信側に部分的チャネル状態情報（CSIT）が存在する多アンテナ環境下で、レートスプリット多重アクセス（RSMA）に基づく双機能レーダー通信（DFRC）システムを提案する。プリコーダ最適化を用いて、同時に重み付き和スループットを最大化し、レーダビームパターンの平均二乗誤差（MSE）を最小化する。RSMAはCSITの不確実性に対して高いロバスト性を示し、理論的およびリンクレベルのシミュレーションにおいて、移動性や有限長符号化制約下でもSDMAやNOMAを上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Dual-Functional Radar-Communication (DFRC) systems have been investigated to manage the inter-system interference between radar and communication systems. However, the studies in literature often assume that the DFRC possesses perfect Channel State Information at the Transmitter (CSIT), which is an unrealistic assumption due to the inevitable CSIT errors in practical deployments. In this work, we aim to design a DFRC system under the practical assumption of partial CSIT. To achieve this, the proposed DFRC marries the capabilities of a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) radar with Rate-Splitting Multiple Access (RSMA). RSMA is a powerful downlink communication scheme based on linearly precoded Rate-Splitting (RS) that partially decodes multi-user interference (MUI) and partially treats it as noise and is inherently robust to partial CSIT. Using RSMA, the DFRC precoders are optimized in the presence of partial CSIT to simultaneously maximize the Average Weighted Sum-Rate (AWSR) under Quality-of-Service (QoS) constraints and minimize the DFRC beampattern Mean Squared Error (MSE) against an ideal MIMO radar beampattern. Simulation results demonstrate that the RSMA-based DFRC largely outperforms DFRCs based on other commonly used strategies such as Space Division Multiple Access (SDMA) and Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA). Specifically, the common stream unique in the RSMA-based DFRC allows for flexible rate partitioning to guarantee user rate fairness with partial CSIT while also being the main contributor to generating a directional beampattern for effective radar sensing. The practical performance of the DFRC is then further assessed through Link-Level simulations (LLS) to take into account the effects of coding and modulation in the finite length regime as well as the channel aging due to mobility and latency, where the superiority of RSMA is again corroborated.

研究の動機と目的

• 双機能レーダー通信（DFRC）システムにおける不完全なCSITという実用的課題に対処すること。
• 通信レートを最大化すると同時に、高いレーダビームパターン直接性を維持する統合レーダー・通信システムを設計すること。
• 完全なCSITに依存する先行研究の限界を克服し、ビームパターンMSEのような間接的レーダ指標に依存しないこと。
• 有限長符号化および変調を用いたリンクレベルシミュレーションにより、現実的な条件下でのシステム性能を評価すること。
• 部分的CSIT下で、RSMAがSDMAおよびNOMAに比べてロバスト性、公平性、およびレーダ感応精度の面で優れていることを示すこと。

提案手法

• MIMOレーダーとRSMAを統合した多アンテナDFRCシステムを提案し、通信とセンシングを同時に行う。
• レートスプリットを用いてデータを共通ストリームとプライベートストリームに分割し、マルチユーザー干渉の部分的復調と部分的ノイズ処理を可能にする。
• 部分的CSIT下でもロバストな性能を実現するため、ADMMに基づく最適化アルゴリズムを用いてプリコーダを共同設計する。
• 実際のビームパターンと所望のビームパターンの平均二乗誤差（MSE）を最小化することで、レーダ直接性を確保する。
• 有限長符号化および変調を想定した実用的性能評価のため、リンクレベルシミュレーションで重み付きスループット指標を導入する。
• 現実的なシステム評価のため、1段階のRSMA受信機アーキテクチャにQAM変調、極性符号化、および適応変調符号化（AMC）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分的CSIT下で、高い通信レートと正確なレーダビームパターンを維持できるDFRCシステムはどのように設計できるか？
• RQ2 部分的CSITが、異なる多重アクセス方式（RSMA、SDMA、NOMA）の統合レーダー通信システムにおける性能に与える影響は何か？
• RQ3 RSMAにおける共通ストリームは、DFRCにおいてどのようにレートの公平性と方向性ビームパターン形成に寄与するか？
• RQ4 有限長符号化および変調を用いたリンクレベルシミュレーションは、RSMAベースのDFRCの理論的和スループット性能にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 なぜNOMAベースのDFRCは、デコードエラーを伴う移動性シナリオで性能が劣るのか？

主な発見

• RSMAベースのDFRCは、部分的CSIT下で平均重み付き和スループット（AWSR）とビームパターンMSEの間で最も優れたトレードオフを達成し、SDMAおよびNOMAを上回る性能を発揮する。
• RSMAにおける共通ストリームにより、不完全なCSIT下でも柔軟なレート分割が可能となり、ユーザー間のレート公平性が保証される。
• 共通ストリームが方向性ビームパターン形成の主な貢献要因となっており、レーダ感応性能が向上する。
• リンクレベルシミュレーションにより、特に有限長符号化および変調を伴う高移動度シナリオにおいて、RSMAがSDMAおよびNOMAを上回ることが確認された。
• NOMAベースのDFRCは、逐次干渉キャンセレーション（SIC）段階での誤り伝搬により、スループットが著しく低下するため性能が劣る。
• ビームパターンのMSEを最小化することは、レーダ指標の向上と直接相関する：より高いレーダ相互情報量（RMI）と低いクラメール・ラオ下限（CRB）が得られる。