[论文解读] Rate-Splitting Multiple Access for Multi-Antenna Joint Radar and Communications

Chengcheng Xu, Bruno Clerckx+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2021

Radar Systems and Signal Processing参考文献 37被引用 160

一句话总结

该论文提出了一种基于速率分割多址接入（RSMA）的多天线双功能雷达通信（DFRC）系统，联合优化通信速率与雷达波束成形匹配。通过利用RSMA中的公共数据流来管理用户间干扰以及雷达与通信之间的干扰，该框架在加权和速率（WSR）与波束成形近似均方误差（MSE）之间实现了更优的权衡——优于采用或不采用专用雷达信号的SDMA-based DFRC系统，同时消除了对额外雷达信号和SIC的需求，从而在不损失性能的前提下简化了系统架构。

ABSTRACT

Dual-Functional Radar-Communication (DFRC) system is an essential and promising technique for beyond 5G. In this work, we propose a powerful and unified multi-antenna DFRC transmission framework, where an additional radar sequence is transmitted apart from communication streams to enhance radar beampattern matching capability, and Rate-Splitting Multiple Access (RSMA) is adopted to better manage the interference. RSMA relies on multi-antenna Rate-Splitting (RS) with Successive Interference Cancellation (SIC) receivers, and the split and encoding of messages into common and private streams. We design the message split and the precoders of the radar sequence and communication streams to jointly maximize the Weighted Sum Rate (WSR) and minimize the radar beampattern approximation Mean Square Error (MSE) subject to the per antenna power constraint. An iterative algorithm based on Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM) is developed to solve the problem. Numerical results first show that RSMA-assisted DFRC achieves a better tradeoff between WSR and beampattern approximation than Space-Division Multiple Access (SDMA)-assisted DFRC with or without radar sequence, and other simpler radar-communication strategies using orthogonal resources. We also show that the RSMA-assisted DFRC frameworks with and without radar sequence achieve the same tradeoff performance. This is because that the common stream is better exploited in the proposed framework. The common stream of RSMA fulfils the triple function of managing interference among communication users, managing interference between communication and radar, and beampattern approximation. Therefore, by enabling RSMA in DFRC, the system performance is enhanced while the system architecture is simplified since there is no need to use additional radar sequence and SIC. We conclude that RSMA is a more powerful multiple access for DFRC.

研究动机与目标

• 通过双功能雷达通信（DFRC）系统实现感知与通信一体化（ISAC），以应对5G及以后网络中的频谱稀缺挑战。
• 克服基于空间多址接入（SDMA）的现有DFRC方法在雷达与通信功能之间以及通信用户之间的干扰管理方面存在的局限性。
• 提出一种统一的传输框架，在每个天线功率约束下，联合最大化加权和速率（WSR）并最小化雷达波束成形近似均方误差（MSE）。
• 证明RSMA可通过利用公共数据流同时实现干扰管理、波束成形整形与通信复用，从而替代专用雷达信号。

提出的方法

• 提出一种新型基于RSMA的DFRC架构，将信息分为公共流与私有流，利用公共流塑造雷达波束成形。
• 联合设计雷达信号、公共流与私有流的预编码器，以在每个天线功率约束下优化WSR与MSE。
• 在接收端采用速率分割（RS）与连续干扰消除（SIC）技术，解码公共流并选择性消除干扰。
• 建立一个结合WSR最大化与MSE最小化的非凸优化问题，并通过交替方向乘子法（ADMM）算法求解。
• 集成SIC接收机以管理通信用户之间的干扰以及雷达与通信之间的干扰，充分发挥公共流的双重用途能力。
• 使公共流作为虚拟雷达波形，替代专用雷达信号，同时保持或提升波束成形精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统的基于SDMA的DFRC相比，RSMA能否有效应用于多天线DFRC，以改善通信速率与雷达波束成形精度之间的权衡？
• RQ2 RSMA中的公共流是否能够唯一地实现对通信用户间干扰以及雷达与通信间干扰的同步管理，从而消除对专用雷达信号的需求？
• RQ3 在使用SIC的情况下，RSMA辅助的DFRC与SDMA辅助的DFRC（有或无专用雷达信号）相比，性能如何，特别是在WSR与MSE的权衡方面？
• RQ4 能否在RSMA中利用SIC接收机实现双重干扰消除——即用户间干扰与雷达与通信间干扰的消除，从而简化系统设计？
• RQ5 公共流在波束成形近似中的作用有何影响？其性能是否可与专用雷达信号相媲美？

主要发现

• 在无专用雷达信号的情况下，RSMA辅助的DFRC实现了与含雷达信号的RSMA辅助DFRC相同的WSR-波束成形MSE权衡性能，证明公共流可完全替代雷达信号。
• RSMA中的公共流具备三重功能：管理通信用户间的干扰、管理雷达与通信之间的干扰、以及塑造雷达波束成形。
• RSMA优于采用或不采用雷达信号及SIC的SDMA辅助DFRC，尤其在WSR与MSE的权衡方面表现更优，在α < 0.78时性能增益明显。
• RSMA中的SIC接收机被有效用于双重干扰消除——即用户间干扰与雷达与通信间干扰的消除，从而提升频谱效率并简化系统设计。
• 数值结果表明，基于ADMM的算法约在十次迭代内收敛，表明对非凸问题的优化具有高效且稳定的特性。
• 在RSMA辅助的DFRC中，无需专用雷达信号可显著简化系统架构，且不损失性能，因为公共流已完全承担雷达信号的角色。