[论文解读] Composite Signalling for DFRC: Dedicated Probing Signal or Not?

Li Chen, Fan Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2020

Radar Systems and Signal Processing参考文献 29被引用 19

一句话总结

本文研究了在双功能雷达-通信（DFRC）系统中联合发射与接收波束成形的问题，表明在单通信用户（CU）场景下，专用探测信号并非必需，但在多CU场景中则有益。本文提出了一种基于半定松弛的优化框架，可保证秩-1解，并表明专用信号可提升雷达SINR，但需在通信用户处增加干扰消除的开销。

ABSTRACT

Dual-functional radar-communication (DFRC) is a promising new solution to simultaneously probe the radar target and transmit information in wireless networks. In this paper, we study the joint optimization of transmit and receive beamforming for the DFRC system. Specifically, the signal to interference plus noise ratio (SINR) of the radar is maximized under the SINR constraints of the communication user (CU), which characterizes the optimal tradeoff between radar and communication. In addition to simply using the communication signal for target probing, we further consider to exploit dedicated probing signals to enhance the radar sensing performance. We commence by studying the single-CU scenario, where a closed-form solution to the beamforming design problem is provided. It is then proved that a dedicated radar probing signal is not needed. As a further step, we consider a more complicated multi-CU scenario, where the beamforming design is formulated as a non-convex quadratically constrained quadratic programming. The optimal solutions are obtained by applying semidefinite relaxation with guaranteed rank-1 property. It is shown that under the multi-CU scenario, the dedicated probing signal should be employed to improve the radar performance at the cost of implementing an additional interference cancellation at the CU. Finally, the numerical simulations are provided to verify the effectiveness of the proposed algorithm.

研究动机与目标

• 为解决无线网络中雷达与通信之间的频谱共享问题，特别是在毫米波频段中的问题。
• 联合优化DFRC系统中的发射与接收波束成形，以平衡雷达感知与通信质量。
• 确定专用探测信号是否能超越仅使用通信信号本身来提升雷达性能。
• 设计一种联合波束成形方案，满足多个通信用户的SINR约束，同时最大化雷达性能。

提出的方法

• 为多CU DFRC系统中的联合发射与接收波束成形问题建立了一个非凸二次约束二次规划（QCQP）模型。
• 对优化问题应用半定松弛（SDR），确保最优解保持秩-1结构，以实现实际波束成形器设计。
• 利用拉格朗日对偶与Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件分析波束成形解的最优性。
• 推导出最优探测信号为专用信号或零的条件，基于对偶变量μ与干扰矩阵主特征值的关系。
• 证明在多CU情况下，当μ* > κ时，必须使用非零专用探测信号以最大化雷达SINR。
• 表明当使用专用探测信号时，通信用户需实施额外的干扰消除以维持SINR约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单通信用户DFRC系统中，为最大化雷达SINR，是否需要专用探测信号？
• RQ2 多个通信用户的存在如何影响DFRC系统中对专用探测信号的需求？
• RQ3 在SINR约束下，何种波束成形策略能最优平衡雷达性能与通信质量？
• RQ4 半定松弛能否保证多用户DFRC系统中波束成形向量的秩-1解？
• RQ5 在何种条件下最优探测信号变为零，表明无需专用信号？

主要发现

• 在单CU场景中，无需专用探测信号，仅使用通信信号即可最大化雷达SINR。
• 在多CU场景中，为提升雷达性能，必须使用专用探测信号，且最优波束成形向量仅在对偶变量μ*超过干扰矩阵主特征值κ时为非零。
• 所提出的半定松弛方法可保证所有波束成形矩阵的秩-1解，确保实际波束成形器设计的可行性。
• 当μ* = κ时，最优探测信号向量为零，表明在单CU情况下无需专用信号。
• 在多CU场景中，当使用专用探测信号时，通信用户必须实施额外的干扰消除以维持SINR约束。
• 数值仿真验证了所提算法在实现雷达与通信性能最优权衡方面的有效性。