[论文解读] Interference Exploitation for Radar and Cellular Coexistence: The Power-Efficient Approach

Fan Liu, Christos Masouros+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2017

Radar Systems and Signal Processing参考文献 38被引用 8

一句话总结

本文提出了一种功率高效的波束成形方案，通过利用有益的多用户干扰（MUI），实现MIMO雷达与下行链路多用户MIMO（MU-MISO）蜂窝系统的共存。通过将有用的MUI视为资源而非噪声，该方法在满足SINR和干扰噪声比（INR）约束的前提下，最小化基站发射功率，与传统的SVD（SDR）方法相比，显著降低了功耗，并在信道状态信息（CSI）不完美时表现出更强的鲁棒性。

ABSTRACT

We propose a novel approach to enable the coexistence between Multi-Input-Multi-Output (MIMO) radar and downlink multi-user Multi-Input-Single-Output (MU-MISO) communication system. By exploiting the constructive multi-user interference (MUI), the proposed approach trades-off useful MUI power for reducing the transmit power, to obtain a power efficient transmission. This paper focuses on two optimization problems: a) Transmit power minimization at the base station (BS) while guaranteeing the receive signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) level of downlink users and the interference-to-noise ratio (INR) level to radar; b) Minimization of the interference from BS to radar for a given requirement of downlink SINR and transmit power budget. To reduce the computational overhead of the proposed scheme in practice, an algorithm based on gradient projection is designed to solve the power minimization problem. In addition, we investigate the trade-off between the performance of radar and communication, and analytically derive the key metrics for MIMO radar in the presence of the interference from the BS. Finally, a robust power minimization problem is formulated to ensure the effectiveness of the proposed method in the case of imperfect Channel State Information (CSI). Numerical results show that the proposed method achieves a significant power saving compared to conventional approaches, while obtaining a favorable performance-complexity trade-off.

研究动机与目标

• 解决MIMO雷达与下行链路多用户MIMO（MU-MISO）蜂窝系统之间的频谱共享挑战，其中相互干扰限制了共存能力。
• 克服传统干扰抑制技术将所有多用户干扰（MUI）视为有害的局限性，通过将MUI重新定义为有益资源。
• 设计一种鲁棒波束成形方案，确保在信道状态信息（CSI）不完美时仍能保持性能，尤其针对基站到雷达的干扰信道。
• 通过引入高效的梯度投影算法实现功率最小化，实现性能与复杂度之间的有利权衡。
• 量化雷达检测性能与通信质量之间的权衡，并推导在MUI存在下的雷达度量的解析表达式。

提出的方法

• 提出一种新颖的预编码优化框架，利用MU-MISO下行链路系统中的有益多用户干扰（CI），以降低基站发射功率。
• 通过允许受控的、有益的MUI来重构功率最小化问题，从而放松SINR约束，实现在保持用户服务质量的同时降低发射功率。
• 设计一种基于梯度投影的算法，高效求解非凸功率最小化问题，相比半定松弛（SDR）方法显著降低计算复杂度。
• 推导在基站干扰存在下，雷达到达角（DoA）估计的检测概率和Cramér-Rao下界（CRB）的解析表达式。
• 利用最坏情况优化方法设计鲁棒波束成形，以处理CSI不完美问题，尤其针对基站到雷达的干扰信道（信道F）。
• 采用高斯雷达检测器模型评估检测性能，并验证了渐近近似在性能分析中的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以利用MU-MISO系统中多用户干扰（MUI）的有益特性，在维持用户SINR和雷达INR要求的前提下，降低基站发射功率？
• RQ2 MUI的利用如何影响共存系统中雷达检测性能与通信质量之间的权衡？
• RQ3 CSI不完美——特别是基站到雷达的干扰信道——对所提波束成形方案性能有何影响？
• RQ4 所提出的梯度投影算法在实际系统（如LTE）中是否能实现与基于SDR的求解器相当或更优的计算效率？
• RQ5 基于干扰利用的鲁棒波束成形器在信道估计误差下，与传统基于SDR的波束成形器相比，性能优势有多大？

主要发现

• 在雷达检测概率目标为0.9时，所提出的基于有益干扰（CI）的波束成形相比传统基于SDR的波束成形，所需发射功率降低了4 dB。
• 在高SINR要求的下行链路用户条件下，CI方法在雷达检测概率和DoA估计精度方面显著优于SDR方法。
• 梯度投影算法的平均执行时间与基于SDR的求解器相当，使CI方法在LTE等系统中具备实时实现的计算可行性。
• 基于干扰利用的鲁棒波束成形设计在CSI误差下仍能保持性能，且CI方法对信道估计误差的容忍度高于SDR方法。
• 基站到雷达的干扰信道（F）的估计精度低于其他信道（H和G）时，性能不会下降，因为CI方法对F中的误差更具鲁棒性。
• 雷达检测概率和MUI存在下的Cramér-Rao下界（CRB）的解析表达式通过仿真得到验证，渐近结果与仿真结果高度一致。