[논문 리뷰] Waveform Design for Joint Sensing and Communications in the Terahertz Band.

Tianqi Mao, Jiaxuan Chen외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 03.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 42인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파 대역에서의 공동 레이더 및 통신(JRC)을 위해 새로운 다중 서브밴드 준완전(MS-QP) 시퀀스와 그 데이터 임bedded 변종(DE-MS-QP)을 제안한다. 서브밴드 전역에서 자도프-추(ZC) 서브시퀀스를 활용하고 도플러 효과를 완화하기 위해 루트 인덱스를 최적화함으로써, 저비용 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 정확한 표적 감지와 고속 통신을 가능하게 하는 웨이브포머를 제공한다. 이는 다양한 스펙트럼 할당이 가능한 간섭 없는 동시 운영을 실현한다.

ABSTRACT

The convergence of radar sensing and communication applications in the terahertz (THz) band has been envisioned as a promising technology, since it incorporates terabit-per-second (Tbps) data transmission and mm-level radar sensing in a spectrum- and cost-efficient manner, by sharing both the frequency and hardware resources. However, the joint THz radar and communication (JRC) system faces considerable challenges, due to the peculiarities of the THz channel and front ends. To this end, the waveform design for THz-JRC systems with ultra-broad bandwidth is investigated in this paper. Firstly, by considering THz-JRC systems based on the co-existence concept, where both functions operate in a time-domain duplex (TDD) manner, a novel multi-subband quasi-perfect (MS-QP) sequence, composed of multiple Zadoff-Chu (ZC) perfect subsequences on different subbands, is proposed for target sensing, which achieves accurate target ranging and velocity estimation, whilst only requiring cost-efficient low-rate analog-to-digital converters (A/Ds) for sequence detection. Furthermore, the root index of each ZC subsequence of the MS-QP sequence is designed to eliminate the influence of doppler shift on the THz radar sensing. Finally, a data-embedded MS-QP (DE-MS-QP) waveform is constructed through time-domain extension of the MS-QP sequence, generating null frequency points on each subband for data transmission. Unlike the THz-JRC system in TDD manner, the proposed DE-MS-QP waveform enables simultaneous interference-free sensing and communication, whilst inheriting all the merits from MS-QP sequences. Numerical results validate the superiority of the proposed waveforms in terms of sensing performance, hardware cost and flexible resource allocation over their conventional counterparts.

연구 동기 및 목표

• 초광대역 및 하드웨어 비용이 핵심 제약 조건인 테라헤르츠(THz) 대역에서 공동 감지 및 통신(JRC)을 위한 효율적인 웨이브포머 설계 과제를 해결한다.
• 기존 TDD 기반 JRC 시스템의 한계를 극복하여 동시에 간섭 없는 감지 및 통신을 가능하게 한다.
• 저속 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 정확한 표적 거리 측정 및 속도 추정을 가능하게 하는 웨이브포머를 설계한다. 이는 하드웨어 비용을 감소시킨다.
• 서브밴드 전역에서 자도프-추(ZC) 서브시퀀스의 루트 인덱스를 최적화하여 THz 레이더 감지에서 도플러 시프트로 인한 성능 저하를 제거한다.
• 각 서브밴드의 빈도 영역에 데이터를 임베딩함으로써 스펙트럼 활용의灵活性를 높이며, 감지 성능 저하 없이 자원 할당을 유연하게 한다.

제안 방법

• 테라헤르츠 대역의 각 다른 서브밴드에 할당된 다수의 자도프-추(ZC) 완전 서브시퀀스로 구성된 다중 서브밴드 준완전(MS-QP) 시퀀스를 제안한다.
• 각 ZC 서브시퀀스의 루트 인덱스를 설계하여 도플러 시프트가 레이더 감지 성능에 미치는 영향을 상쇄함으로써, 표적 속도 추정의 강건성을 확보한다.
• MS-QP 시퀀스를 시간 도메인에서 연장하여 데이터 임베딩이 가능한 다중 서브밴드 준완전 웨이브포머(DE-MS-QP)를 구성하며, 각 서브밴드에 빈도 영역의 영점(null frequency points)을 도입하여 데이터 전송을 가능하게 한다.
• DE-MS-QP 웨이브포머가 원래 MS-QP 시퀀스의 감지 성능을 유지하면서도 동시에 통신 기능을 수행할 수 있도록 보장한다.
• 비교를 위한 기준으로 시간 도메인 이중화(TDD) 운영을 활용하지만, 웨이브포머 설계를 통해 동시 운영을 실현하는 데 초점을 맞춘다.
• ZC 시퀀스의 일정한 에너지 레벨과 낮은 피크-평균 전력비(PAPR) 특성을 활용하여 고해상도 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 요구 수준을 낮춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용, 저속 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하는 THz-JRC 시스템에서 정확한 표적 거리 측정 및 속도 추정을 가능하게 하는 웨이브포머는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 THz 레이더 감지에서 도플러 시프트 영향을 최소화하기 위해 서브밴드 전역에서 자도프-추 서브시퀀스에 루트 인덱스를 어떻게 할당할 수 있는가?
• RQ3 단일 웨이브포머가 간섭 없이 동시에 고속도 통신과 고정밀 감지를 수행할 수 있는가? 이는 테라헤르츠 대역에서 가능할까?
• RQ4 각 서브밴드 내부에 빈도 영역의 영점을 어떻게 전략적으로 배치하여 감지 성능 저하 없이 데이터를 임베딩할 수 있는가?
• RQ5 감지 정확도, 하드웨어 비용, 스펙트럼의灵活性 측면에서 제안된 MS-QP/DE-MS-QP 웨이브포머와 기존 TDD 기반 또는 최적화되지 않은 웨이브포머 간의 성능 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 MS-QP 시퀀스는 저속 아날로그-디지털 변환기(ADC)만으로도 정확한 표적 거리 측정 및 속도 추정을 실현하여 하드웨어 비용을 크게 감소시킨다.
• 각 ZC 서브시퀀스의 루트 인덱스를 최적화함으로써 MS-QP 웨이브포머가 도플러 시프트가 레이더 감지 성능에 미치는 영향을 효과적으로 제거한다.
• DE-MS-QP 웨이브포머는 각 서브밴드의 빈도 영역에 데이터를 임베딩함으로써 간섭 없는 동시에 감지 및 통신을 가능하게 한다.
• 수치적 결과는 제안된 웨이브포머가 기존 대비 감지 정확도, 하드웨어 효율성, 영리한 자원 할당 측면에서 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.
• DE-MS-QP 웨이브포머는 MS-QP 시퀀스의 모든 감지 이점을 그대로 유지하면서 동시에 동일 주파수 대역에서 고-throughput 데이터 전송을 가능하게 한다.
• 웨이브포머 설계는 테라비트/초(Tbps) 수준의 데이터 전송 속도와 밀리미터 수준의 감지 해상도를 지원하여 차세대 THz 시스템의 요구사항을 충족한다.