[论文解读] Waveform Design for Joint Sensing and Communications in the Terahertz Band.

Tianqi Mao, Jiaxuan Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 42被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新型多子带准完美（MS-QP）序列及其数据嵌入变体（DE-MS-QP），用于太赫兹（THz）频段的联合雷达与通信（JRC）系统。通过在子带中利用Zadoff-Chu（ZC）子序列并优化根索引以减轻多普勒效应，波形实现了高精度目标感知与高速通信，同时使用低成本模数转换器（ADC），实现了无干扰的并行操作，并具备灵活的频谱分配能力。

ABSTRACT

The convergence of radar sensing and communication applications in the terahertz (THz) band has been envisioned as a promising technology, since it incorporates terabit-per-second (Tbps) data transmission and mm-level radar sensing in a spectrum- and cost-efficient manner, by sharing both the frequency and hardware resources. However, the joint THz radar and communication (JRC) system faces considerable challenges, due to the peculiarities of the THz channel and front ends. To this end, the waveform design for THz-JRC systems with ultra-broad bandwidth is investigated in this paper. Firstly, by considering THz-JRC systems based on the co-existence concept, where both functions operate in a time-domain duplex (TDD) manner, a novel multi-subband quasi-perfect (MS-QP) sequence, composed of multiple Zadoff-Chu (ZC) perfect subsequences on different subbands, is proposed for target sensing, which achieves accurate target ranging and velocity estimation, whilst only requiring cost-efficient low-rate analog-to-digital converters (A/Ds) for sequence detection. Furthermore, the root index of each ZC subsequence of the MS-QP sequence is designed to eliminate the influence of doppler shift on the THz radar sensing. Finally, a data-embedded MS-QP (DE-MS-QP) waveform is constructed through time-domain extension of the MS-QP sequence, generating null frequency points on each subband for data transmission. Unlike the THz-JRC system in TDD manner, the proposed DE-MS-QP waveform enables simultaneous interference-free sensing and communication, whilst inheriting all the merits from MS-QP sequences. Numerical results validate the superiority of the proposed waveforms in terms of sensing performance, hardware cost and flexible resource allocation over their conventional counterparts.

研究动机与目标

• 解决在太赫兹（THz）频段中设计高效波形以实现联合感知与通信（JRC）的挑战，其中超宽带特性和硬件成本是关键约束条件。
• 通过实现感知与通信的并行无干扰操作，克服传统时分双工（TDD）JRC系统存在的局限性。
• 设计一种波形，支持使用低采样率模数转换器（A/D）实现高精度目标测距与速度估计，从而降低硬件成本。
• 通过优化各子带中Zadoff-Chu（ZC）子序列的根索引，消除多普勒频移对太赫兹雷达感知性能的影响。
• 通过在每个子带的零频点嵌入数据，实现灵活的频谱利用，同时不降低感知性能。

提出的方法

• 提出一种由多个Zadoff-Chu（ZC）完美子序列组成的多子带准完美（MS-QP）序列，每个子序列分配至太赫兹频段中的一个独立子带。
• 设计每个ZC子序列的根索引，以抵消多普勒频移对雷达感知的影响，确保目标速度估计的鲁棒性。
• 通过时域扩展MS-QP序列，构建一种数据嵌入的MS-QP（DE-MS-QP）波形，在每个子带中引入零频点以实现数据传输。
• 确保DE-MS-QP波形在保持原始MS-QP序列感知性能的同时，实现感知与通信的并行操作。
• 将时域双工（TDD）操作作为对比基线，但重点通过波形设计实现在同一时间内的并行操作。
• 利用ZC序列的恒包络特性和低峰均功率比（PAPR），降低对高分辨率模数转换器（A/D）的需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种波形，使得在使用低成本、低采样率模数转换器的太赫兹-JRC系统中，能够实现高精度目标测距与速度估计？
• RQ2 如何最优地分配Zadoff-Chu子序列在各子带中的根索引，以减轻太赫兹雷达感知中多普勒频移的影响？
• RQ3 能否通过单一波形在太赫兹频段中同时支持高速通信与高精度感知，且无干扰？
• RQ4 如何在每个子带中合理布置零频点，以实现数据嵌入而不降低雷达感知性能？
• RQ5 在感知精度、硬件成本与频谱灵活性方面，所提出的MS-QP/DE-MS-QP波形与传统TDD-based或非优化波形相比，存在哪些性能权衡？

主要发现

• 所提出的MS-QP序列仅使用低采样率模数转换器（A/D），即可实现高精度目标测距与速度估计，显著降低硬件成本。
• 通过优化每个ZC子序列的根索引，MS-QP波形有效消除了多普勒频移对雷达感知性能的影响。
• DE-MS-QP波形通过在每个子带的零频点嵌入数据，实现了感知与通信的并行无干扰操作。
• 数值结果表明，所提出的波形在感知精度、硬件效率与灵活资源分配方面均优于传统波形。
• DE-MS-QP波形继承了MS-QP序列的所有感知优势，同时在相同频段内实现了高吞吐量数据传输。
• 波形设计支持太比特每秒（Tbps）量级的数据速率与毫米级的感知分辨率，符合下一代太赫兹系统的需求。