[论文解读] Hybrid Beamforming in mmWave Dual-Function Radar-Communication Systems: Models, Technologies, and Challenges

Ziyang Cheng, Linlong Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2022

Antenna Design and Optimization被引用 4

一句话总结

本文针对毫米波双功能雷达通信（DFRC）系统提出混合波束成形（HBF），以在保持高谱/能量效率的同时降低硬件成本。通过共享硬件和信号处理实现雷达感知与通信的集成，HBF利用有限的射频链路和移相器实现多用户通信与目标检测，在6G网络中实现了性能与复杂度之间的有利权衡。

ABSTRACT

As a promising technology in beyond-5G (B5G) and 6G, dual-function radar-communication (DFRC) aims to ensure both radar sensing and communication on a single integrated platform with unified signaling schemes. To achieve accurate sensing and reliable communication, large-scale arrays are anticipated to be implemented in such systems, which brings out the prominent issues on hardware cost and power consumption. To address these issues, hybrid beamforming (HBF), beyond its successful deployment in communication-only systems, could be a promising approach in the emerging DFRC ones. In this article, we investigate the development of the HBF techniques on the DFRC system in a self-contained manner. Specifically, we first introduce the basics of the HBF based DFRC system, where the system model and different receive modes are discussed with focus. Then we illustrate the corresponding design principles, which span from the performance metrics and optimization formulations to the design approaches and our preliminary results. Finally, potential extension and key research opportunities, such as the combination with the reconfigurable intelligent surface, are discussed concisely.

研究动机与目标

• 解决毫米波双功能雷达通信（DFRC）系统中大规模阵列带来的高硬件成本与高功耗问题。
• 研究混合波束成形（HBF）作为减少射频链路数量同时保持雷达与通信性能的解决方案。
• 为基于HBF的DFRC系统建立系统模型与设计原则，实现感知与通信的统一信号处理。
• 识别在实际约束条件下联合优化数字与模拟波束成形器的关键挑战。
• 探索未来扩展方向，如与可重构智能表面（RIS）及OTFS调制的集成。

提出的方法

• 提出一种基于HBF的DFRC系统模型，包含Nt个发射与Nr个接收天线，分别使用Nt_RF与Nr_RF个射频链路。
• 实现三种模拟波束成形架构：全连接、部分连接与动态连接，每种架构具有不同的硬件与性能权衡。
• 基于雷达波束图主瓣增益、通信速率与能量效率等性能指标，建立优化问题。
• 将低分辨率ADCs/DACs集成到HBF设计中以降低功耗与成本，并分析其对系统性能的影响。
• 探索RIS辅助的DFRC系统中联合主动（HBF）与被动（RIS）波束成形，以提升波束精度与覆盖范围。
• 研究OTFS调制的DFRC系统中的HBF设计，以缓解高速移动场景下的多普勒扩展与子载波间干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在DFRC系统中建模混合波束成形，以联合优化雷达感知与通信性能？
• RQ2 模拟波束成形架构（全连接、部分连接、动态连接）对HBF-DFRC系统性能与硬件效率的影响是什么？
• RQ3 低分辨率ADCs/DACs对毫米波HBF-DFRC系统性能-能量效率权衡的影响如何？
• RQ4 将可重构智能表面（RIS）与HBF-DFRC系统集成，在增强波束成形与覆盖方面面临哪些挑战与机遇？
• RQ5 如何将HBF适配于OTFS调制的DFRC系统，以应对高速移动环境中多普勒扩展与子载波间干扰？

主要发现

• HBF在DFRC系统中通过使用有限数量的射频链路与移相器，实现了系统性能与硬件成本之间的有利权衡。
• 在模拟波束成形中，动态连接架构相比全连接与部分连接，在性能与能效之间提供了更优的平衡。
• 在低信噪比下，HBF-DFRC系统中采用低分辨率ADCs/DACs可实现与理想量化系统相当的性能，显著提升能量效率。
• 联合优化HBF与低分辨率ADCs/DACs对于实现最优性能-能效权衡至关重要，但该方向仍研究不足。
• RIS辅助的HBF-DFRC系统可提升波束精度与空间分集增益，但需应对主动与被动波束成形之间的耦合问题，因而需要先进优化方法。
• 基于OTFS的HBF-DFRC系统由于宽带操作导致数字与模拟波束成形器之间存在强耦合，因此需设计低复杂度的算法以应对大时延-多普勒块。