RIS-Assisted Communication Radar Coexistence:Joint Beamforming Design and Analysis

1、基本内容：

未来无线通信系统需要更高的数据传输率和和智能感知服务，这就对频谱资源提出了更高的需求。一方面，我们可以将频谱向高频拓展。另一方面，在多个系统之间实现频谱共享。由于雷达和通信系统在硬件、信号处理等许多方面的相似性，ISAC被提出来。ISAC有两个层面，低层面来说，就是只共享频谱，对应的系统是通信雷达共存系统，研究难点是互干扰管理；更高层面就是不仅共享频谱，还共享设备，也就是双功能雷达通信系统（DFRC），研究难点是ISAC波形的设计。

本文考虑的是通信雷达共存系统，为了消除互干扰，作者将两个RIS引入系统，一个部署在发射器抑制发射器对雷达的干扰，一个部署在接收器抑制雷达对接收器的干扰。

作者考虑了雷达功率较大和较小两种场景。

本文的目标是通过联合优化雷达的有源波束形成矩阵和RIS的无源波束形成矩阵来最大化通信性能，同时确保雷达发射功率约束下的雷达检测性能。作者考虑用双环罚对偶分解double-loop penalty dualdecomposition (PDD)求解。

2、系统模型：

雷达探测方向： $\{\theta_{k}\},\forall k~\in~\mathcal{K}~\triangleq~\{1,\ldots,K\}$

脉冲重复间隔（PRI）：

雷达发射的脉冲信号：

$\theta_{k}$ 方向的发射功率： ||u_k||^2

发射信号经过 l_r 的时间才被接收。

$\theta_{k}$ 方向的回波： $\boldsymbol{y}_k^{r,e}[l]=\alpha_k\boldsymbol{a}(\theta_k)\boldsymbol{a}^T(\theta_k)\boldsymbol{x}^r[l-l_r]$

通信对感知的干扰：“发射机-雷达”和“发射机-RIS1-雷达”。

$\boldsymbol{y}_{k}^{r,i}[l]=(\boldsymbol{h}_{ts}+\boldsymbol{H}_{ts}\boldsymbol{\phi}_{1})\sqrt{p^{c}}s^{c}[l]$

$\theta_{k}$ 方向的感知SINR：

$\mathrm{SINR}_{k}^{r}=\frac{\left|\boldsymbol{w}_{k}\alpha_{k}\boldsymbol{a}(\theta_{k})\boldsymbol{a}^{T}(\theta_{k})\boldsymbol{u}_{k}\right|^{2}}{\sigma^{2}\left|\boldsymbol{w}_{k}\right|^{2}+p^{c}\left|\boldsymbol{w}_{k}\left(\boldsymbol{h}_{ts}+\boldsymbol{H}_{ts}\phi_{1}\right)\right|^{2}}$

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用户接收的想要的通信信号： $\begin{aligned}y^{c}[l]=\left(h_{tr}+g_{tr}^H\phi_1+f_{tr}^H\phi_2+\phi_1^TH_{tr}\phi_2\right)\sqrt{p^c}s^c[l]\end{aligned}$

感知对通信的干扰：“雷达-接收器”和“雷达-RIS2-接收器”

$\begin{aligned}y^i[l]=\begin{pmatrix}h_{sr}^H+\phi_2^TH_{sr}\end{pmatrix}x^r[l]\end{aligned}$

整个epoch的平均通信SINR：

$\mathrm{SINR}^c=\frac{KLp^c\left|h_{tr}+g_{tr}^H\phi_1+f_{tr}^H\phi_2+\phi_1^TH_{tr}\phi_2\right|^2}{KL\sigma^2+\sum_{k=1}^K\left|h_{sr}^Hu_k+\phi_2^TH_{sr}u_k\right|^2}$

3、优化问题：

——————————————————内环————————————————————

作者考虑在PDD框架下求解，难点在于目标函数是分式项以及感知约束中变量高度耦合。

对于目标函数，利用分式规划（FP）求解。

对于感知约束，引入辅助变量，来替换耦合部分。

感知约束变为： $\gamma^{r}\left(\sigma^{2}\left|\boldsymbol{w}_{k}\right|^{2}+p^{c}\left|y_{k}\right|^{2}\right)-|\alpha_{k}|^{2}|x_{k}|^{2}\leq0,\quad\forall k.$