[论文解读] Transmit Precoder Design Approaches for Dual-Function Radar-Communication Systems

Jacob Pritzker, James Ward+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Radar Systems and Signal Processing被引用 16

一句话总结

该论文提出了针对MIMO双功能雷达-通信（DFRC）系统的新型波束成形器设计方法，通过强制依赖雷达信号波形进行感知，优先保障雷达检测性能。基于驻留时间的雷达检测模型和新型雷达专用度量，该方法可保证用户定义的雷达或通信性能水平，实现灵活的子系统优先级配置，并在先前工作的基础上改进了模糊函数逼近效果。

ABSTRACT

As radio-frequency (RF) antenna, component and processing capabilities increase, the ability to perform multiple RF system functions from a common aperture is being realized. Conducting both radar and communications from the same system is potentially useful in vehicular, health monitoring, and surveillance settings. This paper considers multiple-input-multiple-output (MIMO) dual-function radar-communication (DFRC) systems in which the radar and communication modes use distinct baseband waveforms. A transmit precoder provides spatial multiplexing and power allocation among the radar and communication modes. Multiple precoder design approaches are introduced for a radar detection mode in which a total search volume is divided into dwells to be searched sequentially. The approaches are designed to enforce a reliance on radar waveforms for sensing purposes, yielding improved approximation of desired ambiguity functions over prior methods found in the literature. The methods are also shown via simulation to enable design flexibility, allowing for prioritization of either subsystem and specification of a desired level of radar or communication performance.

研究动机与目标

• 通过在雷达与通信系统间共享射频频谱，缓解频谱拥塞问题。
• 克服先前DFRC方法中通信优先或依赖波形嵌入的局限性，聚焦于基于驻留时间搜索模型的雷达检测。
• 开发可保证用户指定雷达或通信性能水平的波束成形器设计，实现灵活的子系统优先级配置。
• 通过强制依赖高质量雷达波形提升感知精度，从而更优逼近期望的模糊函数。
• 通过引入适用于初始目标检测的新型雷达专用性能度量，拓展现有基于波束成形的DFRC方法。

提出的方法

• 提出一种基于设计波束图与期望波束图之间均方误差（MSE）的新雷达度量，专用于顺序驻留时间下的雷达检测。
• 开发雷达保障方法，通过约束MSE度量以确保用户定义的雷达性能水平，采用凸优化形式化表达。
• 提出通信保障方法，确保在保持雷达性能的同时，所有通信用户均达到最低所需的信干噪比（SINR）阈值。
• 利用半定松弛与特征分解，将波束成形器设计问题转化为可解的凸优化问题，并保证可行性。
• 采用两阶段波束成形器结构：一部分用于雷达波束图成形，另一部分通过波束成形实现通信信号的空间多路复用。
• 通过从协方差矩阵到波束成形器的变换，从松弛问题的解中恢复实际的发射波束成形器矩阵。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于驻留时间的检测场景下，DFRC系统是否能实现保证的雷达性能，同时维持通信功能？
• RQ2 如何通过允许雷达或通信子系统优先级配置，提升DFRC系统的设计灵活性？
• RQ3 与先前方法相比，所提方法在多大程度上改善了对期望模糊函数的逼近效果？
• RQ4 基于波束图MSE的新雷达度量在初始目标检测场景中是否优于现有度量？
• RQ5 在雷达-通信联合系统中，强制依赖雷达波形对整体系统性能与鲁棒性有何影响？

主要发现

• 所提出的雷达保障方法可实现用户定义的雷达性能水平，仿真结果表明其在MSE指标下相比先前方法具有更优的波束图逼近效果。
• 通信保障方法成功在高雷达功率约束下仍保持所有通信用户达到最低SINR阈值。
• 该方法支持灵活的系统设计，用户可根据应用场景需求优先配置雷达或通信子系统。
• 仿真结果表明，新方法在高角扩展或低信噪比场景下，相比现有方法能更优逼近期望的模糊函数。
• 数学上已证明凸优化形式化的可行性，确保可通过标准求解器高效计算解。
• 从协方差矩阵到波束成形器的变换被证明可保持性能保证，从而实现波束成形器设计的实际应用。