[论文解读] Co-Designing Statistical MIMO Radar and In-band Full-Duplex Multi-User MIMO Communications -- Part I: Signal Processing

Jiawei Liu, Kumar Vijay Mishra+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2020

Radar Systems and Signal Processing参考文献 62被引用 37

一句话总结

本文提出一个统计 MIMO 雷达与 IBFD MU-MIMO 通信系统在频谱共享中的协同设计框架，利用一个复合与加权的和互信息准则联合优化雷达码、UL/DL 预编码器和接收滤波器。

ABSTRACT

We consider a spectral sharing problem in which a statistical (or widely distributed) multiple-input multiple-output (MIMO) radar and an in-band full-duplex (IBFD) multi-user MIMO (MU-MIMO) communications system concurrently operate within the same frequency band. Prior works on joint MIMO-radar-MIMO-communications (MRMC) systems largely focus on either colocated MIMO radars, half-duplex MIMO communications, single-user scenarios, omit practical constraints (clutter, uplink [UL]/downlink [DL] transmit powers, UL/DL quality-of-service, and peak-to-average-power ratio), or MRMC co-existence that employs separate transmit/receive units. The purpose of this and companion papers (Part II and III) is to co-design an MRMC framework that addresses all of these issues. In this paper, we propose signal processing for a distributed IBFD MRMC, where radar receiver is designed to additionally exploit the downlink communications signals reflected from a radar target. Extensive numerical experiments show that our methods improve radar target detection over conventional codes and yield a higher achievable data rate than standard precoders. The following companion paper (Part II) describes the theory and procedure of our algorithm to solve the non-convex design problem. The final companion paper (Part II) considers the case of multiple targets and examines the tracking performance of our MRMC system.

研究动机与目标

• 动机与解决在同一频带内运行的广域分布式 MIMO 雷达与就带内全双工 MU-MIMO 通信系统的频谱共享问题。
• 在实际约束（UL/DL 功率、服务质量QoS、峰值均值功率比 PAR）下联合设计雷达波形与通信的预编码器/接收端。
• 开发一个优化框架，能够单调收敛并提升雷达探测和通信数据速率的性能。

提出的方法

• 将一个复合并加权的和互信息（CWSM）定义为雷达与通信的联合性能指标。
• 在UL/DL功率、QoS和峰谷均功率比约束下，建立一个非凸优化问题，联合优化雷达码矩阵 A、UL/DL 预编码器 {Pu,i[k],Pd,j[k]} 以及线性接收滤波器。
• 使用基坐标下降（BCD）与交替投影（AP）方法的组合来求解非凸的 CWSM 问题，获得迭代解。
• 在实际同步、信道与干扰考虑下，对统计 MIMO 雷达（广域分布的天线）与 IBFD MU-MIMO 通信进行建模。
• 利用离散与连续优化步骤，确保在若干次迭代内实现快速、单调收敛。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对统计 MIMO 雷达与 IBFD MU-MIMO 通信系统进行协同设计，以实现有效的频谱共享？
• RQ2 有哪些有效的信息理论性能指标能够同时体现雷达与通信目标？
• RQ3 在满足 QoS 与 PAR 约束的同时，实用的优化算法（BCD-AP）能否快速收敛？
• RQ4 与传统设计相比，优化后的雷达码与预编码器能否提升雷达探测与通信数据速率？

主要发现

• 在给定错误告警率下，使用优化设计时雷达探测概率比传统雷达码提高至多 13%。
• 与标准预编码器相比，所提出的预编码设计使通信数据速率提高至多 30%。
• 所提出的 BCD-AP 算法在少数迭代内表现出单调收敛。
• 该框架在一个统一设计中考虑了 UL/DL 发射功率、UL/DL QoS（最低速率）以及峰值-均值功率比约束。
• 初步结果（早期会议版本）聚焦于预编码器设计，而本工作扩展至雷达与通信的联合优化。