[论文解读] Radar Precoder Design for Spectral Coexistence with Coordinated Multi-point (CoMP) System

Jasmin A. Mahal, Awais Khawar+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2015

Radar Systems and Signal Processing参考文献 27被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新型雷达预编码器设计，用于与协调多点（CoMP）蜂窝网络实现频谱共存，采用切换小奇异值空间投影（SSSVSP）技术，在抑制干扰的同时保持雷达性能。结果表明，与传统的切换零空间投影（SNSP）相比，SSSVSP能更有效地减少雷达性能损失，尤其在通道估计误差存在的情况下，增加雷达阵元数量可显著提升目标估计精度。

ABSTRACT

This paper details the design of precoders for a MIMO radar spectrally coexistent with a MIMO cellular network. We focus on a coordinated multi-point (CoMP) system where a cluster of base stations (BSs) coordinate their transmissions to the intended user. The radar operates in two modes, interference-mitigation mode when it avoids interference with the CoMP system and cooperation mode when it exchanges information with it. Using either the conventional Switched Null Space Projection (SNSP) or the newly proposed Switched Small Singular Value Space Projection (SSSVSP), the radar beam sweeps across the BS clusters focusing on the optimal ones, optimal in either nullity or difference between the precoded and original radar signal. Taking the channel estimation error into account, the design of precoder is pivoted on the minimal radar interference at the BS clusters during interference-mitigation mode and minimal bit-error-rate at the BSs during cooperation mode while interfering minimally with the radar target detection capability. Our investigation shows that loss in radar performance can be compensated using SSSVSP instead of SNSP to some extent but increasing the number of radar antenna elements goes a long way to serve the purpose. Simulations verify our theoretical predictions about the proposed SSSVSP.

研究动机与目标

• 为解决MIMO雷达与CoMP蜂窝网络在共享频段中运行时的频谱共存挑战。
• 在干扰抑制模式下，最小化雷达对CoMP基站（BS）簇的干扰，同时保持雷达目标检测能力。
• 设计一种协作模式预编码器，以最小化BS端的误比特率（BER），且不降低雷达性能。
• 评估通道估计误差对两种工作模式下雷达与通信系统性能的影响。
• 比较SNSP与所提SSSVSP在雷达目标估计与干扰抑制方面的性能表现。

提出的方法

• 雷达工作在两种模式：干扰抑制模式，即避免对CoMP簇造成有害干扰；协作模式，即与网络交换信息。
• 在干扰抑制模式下，雷达通过在CoMP簇上进行波束扫描，基于最大零点性（SNSP）或预编码信号与原始雷达信号之间偏差最小化（SSSVSP）选择最优簇。
• SSSVSP方法将雷达波束投影至信道矩阵的小奇异值空间，从而在抑制BS簇干扰的同时，最小化对原始雷达信号的失真。
• 在协作模式下，采用迫零（ZF）与最小均方误差（MMSE）准则设计预编码器，以最小化BS端的BER。
• 显式建模通道估计误差，并将其纳入预编码器设计，以确保在实际部署场景中的鲁棒性。
• 通过Cramér-Rao界（CRB）评估雷达目标方向估计性能，通过BER评估通信系统性能，并在不同雷达与BS阵元数量下进行仿真。

实验结果

研究问题

• RQ1 所提出的SSSVSP方法在最小化雷达对CoMP基站簇干扰的同时，与传统SNSP相比，能否更有效地保持雷达目标检测精度？
• RQ2 SSSVSP在多大程度上可减少因预编码及通道估计误差导致的雷达性能退化？
• RQ3 在干扰抑制模式与协作模式下，增加雷达阵元数量对雷达目标估计性能有何影响？
• RQ4 在协作模式下，ZF与MMSE预编码方案在BER性能与能量效率方面表现如何比较？
• RQ5 通过增加雷达阵元数量，能否有效缩小ZF与MMSE预编码器之间的性能差距？

主要发现

• SSSVSP相比SNSP能更有效地减少雷达性能损失，尤其在最坏情况下，得益于对原始雷达信号结构的更好保持。
• 随着雷达阵元数量的增加，目标方向估计的Cramér-Rao界（CRB）显著改善，尤其在采用SSSVSP时更为明显。
• 在协作模式下，ZF预编码在低信噪比（ρ）下BER性能优于MMSE，但随着雷达阵列尺寸增大，性能差距逐渐缩小。
• 增加雷达阵元数量比单独使用SSSVSP更有效地补偿因预编码与通道估计误差导致的性能损失。
• 仿真结果证实，SNSP与SSSVSP均能有效降低对BS簇的干扰，但SSSVSP在雷达性能保持方面表现更优，尤其当雷达阵元数量超过26时。
• 当雷达阵元数量从26增加至100时，ZF与MMSE预编码器在协作模式下的性能差距显著缩小，表明阵列尺寸是实现鲁棒频谱共享的关键因素。