[论文解读] A Wideband Dual Function Radar Communication System With Sparse Array and OFDM Waveforms

Zhaoyi Xu, Athina P. Petropulu|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2021

Radar Systems and Signal Processing参考文献 42被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种使用稀疏阵列和OFDM波形的宽带MIMO双功能雷达-通信（DFRC）系统，其中共享子载波支持高速通信，而专用子载波则通过稀疏恢复实现目标估计。该系统通过联合设计波束成形和波束选择，同时优化感知与通信性能，利用迭代优化和频率选择性衰落下的信道估计，克服了参数耦合问题。

ABSTRACT

A novel multiple-input multiple-output (MIMO) dual-function radar communication (DFRC) system is proposed. The system transmits wideband, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) waveforms using a small subset of the available antennas in each channel use. The proposed system assigns most carriers to antennas in a shared fashion, thus efficiently exploiting the available communication bandwidth, and a small set of subcarriers to active antennas in an exclusive fashion (private subcarriers). A novel target estimation approach is proposed to overcome the coupling of target parameters introduced by subcarrier sharing. The obtained parameters are further refined via an iterative approach, which formulates a sparse signal recovery problem based on the data of the private subcarriers. The system is endowed with beamforming capability, via waveform precoding and antenna selection. The precoding and antenna selection matrices are optimally co-designed to meet a joint sensing-communication system performance. The sparsity of the transmit array is exploited at the communication receiver to recover the transmitted information. The use of shared subcarriers enables high communication rate, while the sparse transmit array maintains low system hardware cost. The sensing problem is formulated by taking into account frequency selective fading, and a method is proposed to estimate the channel coefficients during the sensing process. The functionality of the proposed system is demonstrated via simulations.

研究动机与目标

• 设计一种双功能雷达-通信系统，通过高效利用宽带OFDM波形和稀疏阵列，在降低硬件成本的同时实现高谱效率。
• 通过一种新颖的估计与优化方法，解决共享孔径DFRC系统中因子载波共享导致的目标参数耦合问题。
• 联合优化波形波束成形与阵列选择，同时提升雷达感知精度与通信数据速率。
• 在通信接收端利用发射阵列的稀疏性，实现可靠的信息检测，且不增加硬件复杂度。
• 在感知过程中对频率选择性衰落信道进行建模与估计，以保持系统性能的鲁棒性。

提出的方法

• 系统采用稀疏MIMO阵列，每次传输仅激活部分天线，降低硬件成本，同时保持波束成形能力。
• 使用正交频分复用（OFDM）波形，大多数子载波以共享方式分配给多个天线，以最大化通信带宽利用率。
• 少量子载波被专用于单个天线（专用子载波），以实现无模糊的目标参数估计。
• 提出一种新颖的目标估计方法，以解决由共享子载波引起的参数耦合问题，并基于专用子载波数据，采用基于稀疏信号恢复的公式进行迭代优化。
• 系统将联合感知-通信优化问题建模为波束成形与阵列选择矩阵的联合设计，以在硬件与频谱约束下最大化系统性能。
• 在感知过程中通过利用可用信号数据估计信道系数，对频率选择性衰落进行建模与补偿。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过稀疏阵列部署，在保持低硬件成本的同时实现高通信数据速率？
• RQ2 在共享孔径MIMO-OFDM DFRC系统中，哪些技术能有效解决因子载波共享导致的目标参数耦合问题？
• RQ3 如何联合设计波束成形与阵列选择，以同时优化雷达感知精度与通信吞吐量？
• RQ4 在通信接收端，如何利用发射阵列的稀疏性实现可靠的信息检测？
• RQ5 在基于宽带OFDM的DFRC系统中，如何在感知阶段估计并补偿频率选择性衰落？

主要发现

• 通过在多个天线间共享子载波，所提系统实现了高通信数据速率，显著提升了频谱效率。
• 迭代目标估计方法成功解决了耦合目标参数问题，相比传统方法精度更高。
• 波束成形与阵列选择的联合设计显著改善了感知与通信性能之间的权衡。
• 利用专用子载波实现了有效的稀疏信号恢复，使接收端能够可靠地检测通信信号。
• 通过在感知过程中准确估计信道系数，系统在频率选择性衰落下表现出良好的鲁棒性。
• 仿真结果验证了所提DFRC系统在雷达与通信功能上均实现高性能的可行性与有效性。