We develop a new technique for a dual-function system with joint radar and communication platforms. Sidelobe control of the transmit beamforming in tandem with waveform diversity enables communication links using the same pulse radar spectrum. Multiple simultaneously transmitted orthogonal waveforms are used for embedding a sequence of LB bits during each radar pulse. Two weight vectors are designed to achieve two transmit spatial power distribution patterns, which have the same main radar beam, but differ in sidelobe levels towards the intended communication receivers. The receiver interpretation of the bit is based on its radiated beam. The proposed technique allows information delivery to single or multiple communication directions outside the mainlobe of the radar. It is shown that the communication process is inherently secure against intercept from directions other than the pre-assigned communication directions. The employed waveform diversity scheme supports a multiple-input multiple-output radar operation mode. The performance of the proposed technique is investigated in terms of the bit error rate.

We propose a new technique for multiple-input multiple-output (MIMO) radar with colocated antennas which we call phased-MIMO radar. The new technique enjoys the advantages of the MIMO radar without sacrificing the main advantage of the phased-array radar which is the coherent processing gain at the transmitting side. The essence of the proposed technique is to partition the transmit array into a number of subarrays that are allowed to overlap. Then, each subarray is used to coherently transmit a waveform which is orthogonal to the waveforms transmitted by other subarrays. Coherent processing gain can be achieved by designing a weight vector for each subarray to form a beam towards a certain direction in space. Moreover, the subarrays are combined jointly to form a MIMO radar resulting in higher angular resolution capabilities. Substantial improvements offered by the proposed phased-MIMO radar technique as compared to the phased-array and MIMO radar techniques are demonstrated analytically and by simulations through analyzing the corresponding beam patterns and the achievable output signal-to-noise-plus-interference ratios. Both analytical and simulation results validate the effectiveness of the proposed phased-MIMO radar.

The last decade witnessed a growing demand on radio frequency that is driven by technological advances benefiting the end consumer but requiring new allocations of frequency bandwidths. Further, higher data rates for faster communications and wireless connections have called for an expanded share of existing frequency allocations. Concerns for spectrum congestion and frequency unavailability have spurred extensive research efforts on spectrum management and efficiency within the same type of service and have led to cognitive radio and cognitive radar. On the other hand, devising schemes for coexistence among different services have eased the competition for spectrum resources, especially for radar and wireless communication systems. Both systems have been recently given a common portion of the spectrum by the Federal Communications Commission.

To get the most use out of scarce spectrum, technologies have emerged that permit single systems to accommodate both radar and communications functions. Dual-function radar communication (DFRC) systems, where the two systems use the same platform and share the same hardware and spectral resources, form a specific class of radio-frequency (RF) technology. These systems support applications where communication data, whether as target and waveform parameter information or as information independent of the radar operation, are efficiently transmitted using the same radar aperture and frequency bandwidth. This is achieved by embedding communication signals into radar pulses. In this article, we review the principles of DFRC systems and describe the progress made to date in devising different forms of signal embedding. Various approaches to DFRC system design, including downlink and uplink signaling schemes, are discussed along with their respective benefits and limitations. We present tangible applications of DFRC systems and delineate their design requirements and challenges. Future trends and open research problems are also highlighted.

In this paper, we propose a transmit beamspace energy focusing technique for multiple-input multiple-output (MIMO) radar with application to direction finding for multiple targets. The general angular directions of the targets are assumed to be located within a certain spatial sector. We focus the energy of multiple (two or more) transmitted orthogonal waveforms within that spatial sector using transmit beamformers which are designed to improve the signal-to-noise ratio (SNR) gain at each receive antenna. The subspace decomposition-based techniques such as MUSIC can then be used for direction finding for multiple targets. Moreover, the transmit beamformers can be designed so that matched-filtering the received data to the waveforms yields multiple (two or more) data sets with rotational invariance property that allows applying search-free direction finding techniques such as ESPRIT for two data sets or parallel factor analysis (PARAFAC) for more than two data sets. Unlike previously reported MIMO radar ESPRIT/PARAFAC-based direction finding techniques, our method achieves the rotational invariance property in a different manner combined also with the transmit energy focusing. As a result, it achieves better estimation performance at lower computational cost. Particularly, the proposed technique leads to lower Cramer-Rao bound than the existing techniques due to the transmit energy focusing capability. Simulation results also show the superiority of the proposed technique over the existing techniques.

A general notion of robustness for robust adaptive beamforming (RAB) problem and a unified principle for minimum variance distortionless response (MVDR) RAB techniques design are formulated. This principle is to use standard MVDR beamformer in tandem with an estimate of the desired signal steering vector found based on some imprecise prior information. Differences between various MVDR RAB techniques occur only because of the differences in the assumed prior information and the corresponding signal steering vector estimation techniques. A new MVDR RAB technique, which uses as little as possible and easy to obtain imprecise prior information, is developed. The objective for estimating the steering vector is the maximization of the beamformer output power, while the constraints are the normalization condition and the requirement that the estimate does not converge to any of the interference steering vectors and their linear combinations. The prior information used is only the imprecise knowledge of the antenna array geometry and angular sector in which the actual steering vector lies. Mathematically, the proposed MVDR RAB is expressed as the well known non-convex quadratically constrained quadratic programming problem with two constraints, which can be efficiently and exactly solved. Some new results for the corresponding optimization problem such as a new algebraic way of finding the rank-one solution from the general-rank solution of the relaxed problem and the condition under which the solution of the relaxed problem is guaranteed to be rank-one are derived. Our simulation results demonstrate the superiority of the proposed method over other previously developed RAB techniques.

Spectrum congestion and competition over frequency bandwidth could be alleviated by deploying dual-function radar-communications systems, where the radar platform presents itself as a system of opportunity to secondary communication functions. In this paper, we propose a new technique for communication information embedding into the emission of multiple-input multiple-output (MIMO) radar using sparse antenna array configurations. The phases induced by antenna displacements in a sensor array are unique, which makes array configuration feasible for symbol embedding. We also exploit the fact that in a MIMO radar system, the association of independent waveforms with the transmit antennas can change over different pulse repetition periods without impacting the radar functionality. We show that by reconfiguring sparse transmit array through antenna selection and reordering waveform-antenna pairing, a data rate of megabits per second can be achieved for a moderate number of transmit antennas. To counteract practical implementation issues, we propose a regularized antenna-selection-based signaling scheme. The possible data rate is analyzed and the symbol/bit error rates are derived. Simulation examples are provided for performance evaluations and to demonstrate the effectiveness of proposed dual-function radar-communication techniques.

Dual Function radar communication systems (DFRC) allow the two functions of radar sensing and information transmission to be performed jointly. When the radar beam is paramount to the sensing function, embedding the communication signals can be performed along the beam sidelobes. Designing multiple beams which exhibit desired common main beam shape and width and different sidelobe complex values at the different user positions is referred to as DFRC sidelobe signal embedding. Except from maintaining the main beam intact and satisfying a mandatory sidelobe level threshold constraint, sidelobe signal embedding at core amounts to directional modulation (DM) which puts more emphasis on communication security. In this paper, we tie in these two independently developed areas in radar and communications and compare them, in their basic forms, in relation to security. We examine the difference in signal constellations received by the intended users and eavesdroppers. The bit error rates are used to highlight the respective performance.