Waveforms and algorithms design for use in dual communication/radar systems

Abstract

The focus of this thesis is the processing of signals and design of algorithms that can be used to enable radar functions in communications systems. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a popular multicarrier modulation waveform in communication systems. As a wideband signal, OFDM improves resolution and enables spectral efficiency in radar systems, while also improving detection performance thanks to its inherent frequency diversity. This thesis aims to use multicarrier waveforms for radar systems, to enable the simultaneous operation of radar and communication functions on the same device. The thesis is divided in two parts. The first part, studies the adaptation and application of other multicarrier waveforms to radar functions. At the present time many studies have been carried out to jointly use the OFDM signal for communication and radar functions, but other waveforms have shown to be possible candidates for communication applications. Therefore, studies on the evaluation of the application of these same signals to radar functions are necessary. In this thesis, to demonstrate that other multicarrier waveforms can overcome the OFDM waveform in radar/communication (RadCom) systems, we propose the adaptation of the filter bank multicarrier (FBMC), generalized frequency division multiplexing (GFDM) and universal filtering multicarrier (UFMC) waveforms for radar functions. These alternative waveforms were compared performance-wise regarding achievable target parameter estimation performance, amount of residual background noise in the radar image, impact of intersystem interference and flexibility of parameterization. In the second part of the thesis, signal processing techniques are explored to solve some of the limitations of the use of multicarrier waveforms for RadCom systems. Radar systems based on OFDM are promising candidates for future intelligent transport networks. Exploring the dual functionality enabled by OFDM, we presents cooperative methods for high-resolution delay-Doppler and direction-of-arrival estimation. High-resolution parameter estimation is an important requirement for automotive radar systems, especially in multi-target scenarios that require reliable target separation performance. By exploring the cooperation between vehicles, the studies presented in this thesis also enable the distributed tracking of targets. The result is a highly accurate multi-target tracking across the entire cooperative vehicle network, leading to improvements in transport reliability and safety.

O foco desta tese é o processamento de sinais e desenvolvimento de algoritmos que podem ser utilizados para a habilitar a função de radar nos sistemas de comunicação. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é uma forma de onda com modulação multi-portadora, popular em sistemas de comunicação. Para sistemas de radar, O OFDM melhora a resolução e fornece eficiência espectral, além disso sua diversidade de frequências melhora o desempenho na detecção do radar. Essa tese tem como objetivo utilizar formas de onda multi-portadoras para sistemas de radar, possibilitando a operação simultânea de funções de radar e de comunicação num mesmo dispositivo. A tese esta dividida em duas partes. Na primeira parte da tese são realizados estudos da adaptabilidade de outras formas de onda multi-portadora para funções de radar. Nos dias atuais, muitos estudos sobre o uso do sinal OFDM para funções de comunicação e radar vêm sendo realizados, no entanto, outras formas de onda mostram-se possíveis candidatas a aplicações em sistemas de comunicação, e assim, avaliações para funções de sistema de radar se tornam necessárias. Nesta tese, com a intenção de demonstrar que formas de onda multi-portadoras alternativas podem superar o OFDM nos sistemas de Radar/comunicação (RadCom), propomos a adaptação das seguintes formas de onda: FBMC (Filter Bank Multicarrier); GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing); e UFMC (Universal Filtering Multicarrier) para funções de radar. Também produzimos uma análise de desempenho dessas formas de onda sobre o aspecto da estimativa de parâmetros-alvo, ruído de fundo, interferência entre sistemas e parametrização do sistema. Na segunda parte da tese serão explorados técnicas de processamento de sinal de forma a solucionar algumas das limitações do uso de formas de ondas multi-portadora para sistemas RadCom. Os sistemas de radar baseados no OFDM são candidatos promissores para futuras redes de transporte inteligentes, porque combinam funções de estimativa de alvo com funções de rede de comunicação em um único sistema. Explorando a funcionalidade dupla habilitada pelo OFDM, nesta tese, apresentamos métodos cooperativos de alta resolução para estimar o posição, velocidade e direção dos alvos. A estimativa de parâmetros de alta resolução é um requisito importante para sistemas de radar automotivo, especialmente em cenários de múltiplos alvos que exigem melhor desempenho de separação de alvos. Ao explorar a cooperação entre veículos, os estudos apresentados nesta tese também permitem o rastreamento distribuído de alvos. O resultado é um rastreamento multi-alvo altamente preciso em toda a rede de veículos cooperativos, levando a melhorias na confiabilidade e segurança do transporte.