[论文解读] MIMO-OFDM Dual-Functional Radar-Communication Systems: Low-PAPR Waveform Design

Xiaoyan Hu, Christos Masouros+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Radar Systems and Signal Processing参考文献 31被引用 9

一句话总结

本文通过在功率和峰均功率比（PAPR）约束下联合优化雷达与通信性能，提出了一种用于MIMO-OFDM双功能雷达-通信（DFRC）系统的低PAPR波形设计方法。采用加权目标函数与半定规划（SDP）结合半定松弛（SDR）技术，该方法实现了全局最优的秩-1解，确保了低复杂度和高 spectral efficiency 的实际传输。

ABSTRACT

In this paper, we explore a dual-functional radar-communication (DFRC) system for achieving integrated sensing and communications (ISAC). The technique of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is leveraged to overcome the frequency-selective fading of the wideband multiple-input multiple-output (MIMO) systems with one multi-antenna DFRC base station (BS) and multiple single-antenna user equipment (UEs). In order to restrain the high peak-to-average power ratio (PAPR) of OFDM signals, we aim to jointly design low-PAPR DFRC MIMO-OFDM waveforms. This is done by utilizing a weighted objective function on both communication and radar performance metrics under power and PAPR constraints. The formulated optimization problems can be equivalently transformed into standard semi-definite programming (SDP) and can be effectively solved by semi-definite relaxation (SDR) method, where we prove that globally optimal rank-1 solution can be obtained in general. We further develop a low-complexity method to solve the problems with much reduced overheads. Moreover, the practical scenario with oversampling on OFDM signals is further considered, which has a significant effect on the resulting PAPR levels. The feasibility, effectiveness, and flexibility of the proposed low- PAPR DFRC MIMO-OFDM waveform design methods are demonstrated by a range of simulations on communication sum rate, symbol error rate as well as radar beampattern and detection probability.

研究动机与目标

• 解决MIMO-OFDM双功能雷达-通信（DFRC）系统中因高峰均功率比（PAPR）导致的非线性功率放大器失真问题，该问题会降低系统性能。
• 通过构建兼顾雷达波束成形增益与通信和速率的加权目标函数，联合优化雷达波束成形与通信和速率。
• 通过在优化框架中引入PAPR与发射功率约束，确保设计的实用性。
• 开发一种低复杂度方案，降低反馈开销，适用于实际系统中的实时实现。
• 将OFDM信号的过采样效应扩展至设计中，该效应在实际部署中显著影响PAPR水平。

提出的方法

• 将雷达波束成形增益与通信和速率的加权和作为目标函数，构建联合优化问题。
• 通过半定松弛（SDR）将非凸优化问题转化为标准的半定规划（SDP）问题。
• 利用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件与矩阵秩分析，证明全局最优解为秩-1，从而确保可行的传输波形。
• 通过拉格朗日乘子推导最优性必要条件，并验证解矩阵Ψ具有满秩，从而获得秩-1波束成形解。
• 提出一种基于SDR解的低复杂度方法，以降低计算开销，同时保持性能。
• 考虑OFDM信号在实际中受到的过采样效应，该效应影响PAPR水平，并将其整合进波形设计过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在MIMO-OFDM DFRC系统中设计低PAPR波形，以减轻功率放大器引起的非线性失真？
• RQ2 在PAPR与功率约束下，联合MIMO-OFDM DFRC系统中雷达感知性能与通信速率之间的最优权衡是什么？
• RQ3 联合优化问题能否重述为具有全局最优秩-1解的凸SDP问题？
• RQ4 OFDM信号的过采样如何影响最终的PAPR水平？该影响如何在波形设计中加以建模？
• RQ5 与传统OFDM波形相比，所提出的低PAPR波形在通信和速率、符号误码率及雷达检测概率方面可实现多大的性能增益？

主要发现

• 所提方法实现了波束成形矩阵的全局最优秩-1解，确保了可行且实用的传输波形。
• 半定松弛（SDR）方法成功地将非凸问题转化为凸SDP问题，实现了高效求解。
• 仿真结果表明，与传统OFDM波形相比，通信和速率与符号误码率性能显著提升。
• 雷达波束成形聚焦良好，主瓣增益高且旁瓣电平低，展现出优异的感知性能。
• 由于波形设计优化带来的信干噪比（SINR）提升，检测概率得到增强。
• 低复杂度变体在保持近似最优性能的同时，显著降低了反馈与计算开销，适用于实时部署。