[论文解读] JCR70: A Low-Complexity Millimeter-Wave Proof-of-Concept Platform for A Fully-Digital MIMO Joint Communication-Radar

Preeti Kumari, Amine Mezghani+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2020

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 25被引用 4

一句话总结

本文提出JCR70，一个在71–76 GHz频段、基于滑动天线结构实现宽带MIMO操作的低复杂度全数字MIMO联合通信-雷达（JCR）概念验证平台。结果表明，2–4比特量化接收机的性能接近高分辨率ADC，由于带宽更高和合成孔径更大，JCR70系统在距离和角度分辨率上优于Radarbook。

ABSTRACT

A fully-digital wideband joint communication-radar (JCR) with a multiple-input-multiple-output (MIMO) architecture at the millimeter-wave (mmWave) band will enable high joint communication and radar performance with enhanced design flexibility. A quantized receiver with few-bit analog-to-digital converters (ADCs) will enable a practical JCR solution with reduced power consumption for futuristic portable devices and autonomous vehicles. In this paper, we present a joint communication-radar proof-of-concept platform, named JCR70, to evaluate and demonstrate the performance of these JCR systems using real channel measurements in the 71-76 GHz band. We develop this platform by extending a mmWave communication set-up with an additional full-duplex radar receiver and by capturing the MIMO JCR channel using a moving antenna on a sliding rail. To characterize the JCR performance of our developed tested, we conduct several indoor and outdoor experiments and apply traditional as well as advanced processing algorithms on the measured data. Additionally, we compare the performance of our JCR70 platform with the INRAS Radarbook, which is a state-of-the-art automotive radar evaluation platform at 77 GHz. The results demonstrate that a quantized receiver with 2-4 bit ADCs generally performed quite close to the high-resolution ADC for a signal-to-noise ratio of up to 5 dB. Our JCR70 platform with a fully digital JCR waveform at 73 GHz and 2 GHz bandwidth achieved higher resolution capability than the Radarbook due to higher bandwidth and larger synthesized antenna aperture.

研究动机与目标

• 在毫米波频段开发一个全数字、超宽带MIMO JCR测试平台，用于联合通信与雷达应用。
• 评估低分辨率ADC（2–4比特）在实际JCR系统中的性能，结合真实信道测量数据。
• 将JCR70平台的分辨率与精度与77 GHz频段的当前最先进的Radarbook汽车雷达平台进行对比。
• 验证先进处理算法（例如BG-GAMP）在提升雷达与通信模式下信道估计性能方面的有效性。
• 证明单一硬件平台实现高性能通信与雷达感知同步运行的可行性。

提出的方法

• 通过滑动导轨机构使单个射频链路和高速ADC沿直线路径移动，以模拟全数字MIMO阵列，实现超宽带信道探测。
• 平台集成了全双工雷达接收机与毫米波通信测试平台，支持联合工作下的同时发射与接收。
• 在包含三面角反射器、自行车和汽车等多散射体的室内与室外环境中，采集真实信道测量数据。
• 对采集的数据应用传统基于FFT的处理方法与先进的稀疏贝叶斯处理（BG-GAMP），以估计雷达与通信信道。
• 通过量化接收信号数据来模拟ADC分辨率，从而在不修改硬件的前提下评估低分辨率接收机的性能。
• 采用归一化均方误差（NMSE）作为评价指标，评估不同信噪比（SNR）下雷达与通信信道的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在71–76 GHz频段，通过移动天线结构实际实现低复杂度全数字MIMO JCR平台？
• RQ2 在实际JCR系统中，2–4比特ADC的性能与高分辨率ADC相比如何？
• RQ3 先进处理技术（如BG-GAMP）在联合通信-雷达系统中能多大程度上提升信道估计精度？
• RQ4 JCR70平台的分辨率与动态范围与77 GHz频段的当前最先进的Radarbook相比如何？
• RQ5 与单向通信信道相比，双向雷达信道对NMSE性能有何影响？

主要发现

• 3比特ADC接收机在低信噪比下，雷达与通信性能均接近高分辨率ADC情况。
• 由于带宽为2 GHz且合成孔径更大，JCR70平台在距离与角度分辨率上优于Radarbook。
• 雷达信道的NMSE高于通信信道，原因在于雷达存在双向传播路径，导致信噪比降低。
• 低分辨率与高分辨率ADC之间的性能差距随信噪比升高和信道稀疏性降低而增大，尤其在1比特ADC情况下更为明显。
• 与传统基于FFT的处理相比，BG-GAMP处理显著降低了旁瓣与噪声，提升了信道估计的图像质量。
• 在雷达信道估计中清晰观察到全双工效应，包括1.75米的直达路径以及3.613米和4.98米的反射路径，验证了系统功能正常。