[论文解读] Optimal Transmit Beamforming for Integrated Sensing and Communication

Haocheng Hua, Jie Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2021

Radar Systems and Signal Processing参考文献 46被引用 33

一句话总结

该论文在多天线基站设计下行 ISAC 发射波束形成，通过对信息信号和专用雷达信号的联合优化，在 SINR 和功率约束下，提出了一个新的最小加权波束图增益准则以及两种接收机类型，给出基于 SDR 的全局最优解。

ABSTRACT

This paper studies the transmit beamforming in a downlink integrated sensing and communication (ISAC) system, where a base station (BS) equipped with a uniform linear array (ULA) sends combined information-bearing and dedicated radar signals to simultaneously perform downlink multiuser communication and radar target sensing. Under this setup, we maximize the radar sensing performance (in terms of minimizing the beampattern matching errors or maximizing the minimum weighted beampattern gains), subject to the communication users' minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) requirements and the BS's transmit power constraints. In particular, we consider two types of communication receivers, namely Type-I and Type-II receivers, which do not have and do have the capability of cancelling the interference from the {\emph{a-priori}} known dedicated radar signals, respectively. Under both Type-I and Type-II receivers, the beampattern matching and minimum weighted beampattern gain maximization problems are globally optimally solved via applying the semidefinite relaxation (SDR) technique together with the rigorous proof of the tightness of SDR for both Type-I and Type-II receivers under the two design criteria. It is shown that at the optimality, radar signals are not required with Type-I receivers under some specific conditions, while radar signals are always needed to enhance the performance with Type-II receivers. Numerical results show that the minimum weighted beampattern gain maximization leads to significantly higher beampattern gains at the worst-case sensing angles with a much lower computational complexity than the beampattern matching design. We show that by exploiting the capability of canceling the interference caused by the radar signals, the case with Type-II receivers results in better sensing performance than that with Type-I receivers and other conventional designs.

研究动机与目标

• 通过多天线波束成形在下行无线系统中推动感知与通信的整合。
• 联合优化信息承载信号和专用雷达信号以在满足每用户 SINR 要求的同时提升感知。
• 比较两种感知设计准则和两种接收机类型，并给出在何种条件下 SDR 能得到全局最优解的条件。
• 展示专用雷达信号对 ISAC 的益处，并分析在 LOS 条件下何时它们可能并非必要。

提出的方法

• 将基站建模为具有均匀线性阵列的天线阵列，向 K 个用户发送信息信号，并以协方差 Rd 表示的专用雷达信号。
• 在 SINR 约束和功率上限下，提出两个非凸优化问题：波束图匹配（P1）和最小加权波束图增益最大化（P2）。
• 引入 T_k = t_k t_k^H 以实现半正定松弛（SDR），并重构为 (P1.1) 与 (P2.1)。
• 通过命题证明 SDR 紧性，表明所有 T_k 和 Rd 的秩为一的最优性，从而消除对高斯随机化的需求。
• 定义 Type-I 接收机，无法抵消雷达干扰；Type-II 接收机，能够抵消预先知晓的雷达信号，并推导相应的 SINR 表达式。
• 与无雷达信号的基准设计进行比较，以展示专用雷达信号带来的性能提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在专用雷达信号时，SDR 是否能够为非凸波束图设计问题提供全局最优解？
• RQ2 Type-I 与 Type-II 接收机在波束图匹配与最小加权波束图增益设计下，可实现的 ISAC 性能有何差异？
• RQ3 在 SINR 约束下，加入专用雷达信号是否始终改善感知波束图？在何种信道条件下它们可能并非必要？
• RQ4 相较于传统的波束图匹配，最小加权波束图增益最大化设计在感知性能和计算复杂度方面有何差异？
• RQ5 四种设计（P1 与 P2，配 Type-I 与 Type-II 接收机）与无雷达信号的设计之间，存在哪些基本性能关系？

主要发现

• 四个问题的 SDR 都被证明紧性，得到全局最优的秩为一解。
• 专用雷达信号通常在所有设计和接收机类型上通过利用全部空间自由度来提升 ISAC 性能。
• 对于 Type-II 接收机，雷达干扰抵消比 Type-I 接收机和传统设计带来更好的感知性能。
• 最小加权波束图增益最大化设计在感兴趣角度提供更强的波束增益，且计算复杂度低于波束图匹配。
• 在 Type-I 接收机的 LOS 情况下，专用雷达信号可能并非必要，强调设计受通道条件影响。
• 数值结果表明最小加权设计在感知质量和计算速度方面均优于波束图匹配。