MIMO RadCom 波束成形技术：从频谱共存到联合传输的研究
一、文章题目
MIMO雷达与MU-MIMO通信：从频谱共存到联合传输的波束成形技术研究
二、摘要
本文针对联合多输入多输出（MIMO）雷达-通信（RadCom）系统提出波束成形技术，该系统通过单一设备同时实现下行用户通信与雷达目标探测功能。研究考虑两种工作模式：第一种是将天线分为雷达专用组与通信用途组，雷达信号被设计为落入下行信道零空间，通信波束成形器在满足通信性能要求的同时，实现与雷达波束图的匹配；第二种是所有天线共享传输，雷达与通信共用同一联合波形，在保证下行通信性能的前提下优化探测波束图。为简化优化约束，本文将信干噪比（SINR）约束作为惩罚项融入目标函数，将原波束成形设计转化为加权优化问题，并通过高效流形算法求解。数值结果表明，共享天线部署的性能显著优于分离部署，所提加权优化方法在计算复杂度大幅降低的情况下，性能与原始优化方案相近。
三、引言
随着联网设备数量预计到2020年突破200亿台，频谱资源短缺已成为亟待解决的关键问题。当前2-8GHz的S波段与C波段主要被雷达应用占用，未来有望实现雷达与通信系统的频谱共享（CRSS）。现有CRSS研究主要集中于两大方向：一是现有雷达与通信设备的共存设计，二是双功能系统的协同设计。
在设备共存方面，现有方案包括机会频谱共享、零空间投影（NSP）等方法，但前者无法实现双系统同时工作，后者可能导致雷达性能损失；协同设计方面，传统方案需额外控制中心协调，增加系统复杂度，而单天线双功能波形设计存在数据率低等问题。
针对上述不足，本文聚焦MIMO RadCom系统的发射波束成形设计，通过空间信号处理优化波束成形矩阵，在不改变通信调制方式、保证数据率的前提下，实现雷达与通信功能的高效融合。研究提出分离式与共享式两种天线部署方案，设计加权优化算法并结合流形求解，为雷达-通信一体化提供低复杂度、高性能的技术方案。
四、方法简介
（一）系统模型
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分离部署：天线分为雷达天线（N_R）与通信天线（N_C），雷达信号通过零空间投影消除对通信用户的干扰，通信侧通过优化协方差矩阵匹配雷达波束图，同时满足SINR与功率约束。
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共享部署 ：所有N根天线同时服务雷达与通信，通信信号直接作为雷达探测波形，通过联合优化波束成形矩阵，平衡雷达波束图质量与通信性能。
（二）优化问题构建
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雷达波束图设计：基于凸优化方法，通过约束探测信号协方差矩阵，实现理想波束图匹配或指定3dB主瓣宽度的波束成形。
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分离部署零迫波束成形：将雷达信号投影至通信信道零空间，通过半定松弛（SDR）技术求解非凸优化问题，获取通信波束成形矩阵。
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共享部署加权优化 ：将SINR约束转化为惩罚项（平方和误差惩罚、最大SINR惩罚），结合总功率约束与单天线功率约束，构建加权优化目标函数。
（三）流形算法求解
将加权优化问题的可行域映射为黎曼流形（复超球面流形、复斜流形），通过黎曼共轭梯度（RCG）算法求解。该算法通过黎曼梯度计算、向量传输与回缩映射，在流形上高效搜索最优解，保证满足功率约束的同时降低计算复杂度。
五、结论
本文提出了MIMO RadCom系统发射波束成形的新型框架，涵盖分离式与共享式两种天线部署方案，并设计了基于惩罚项的加权优化方法与流形求解算法。研究表明：共享天线部署在波束图质量与下行SINR的权衡性能上显著优于分离部署；所提加权优化方法在计算复杂度大幅降低（降至传统方法的50%以下）的情况下，性能与原始约束优化方案基本一致，实现了优异的性能-复杂度平衡。该研究为雷达与通信频谱共享提供了高效的技术路径，对未来一体化通信雷达系统的工程实现具有重要参考价值。