[論文レビュー] A Novel ISAC Transmission Framework based on Spatially-Spread Orthogonal Time Frequency Space Modulation

Shuangyang Li, Weijie Yuan+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2021

PAPR reduction in OFDM被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、空間拡散直交時間周波数空間（SS-OTFS）変調を用いた、新たな統合センシングおよび通信（ISAC）フレームワークを提案する。このフレームワークは、空間拡散による角度ドメインの量子化を活用し、ラジオセンシングと通信の統合を実現する。低複雑性のビームトラッキング、角度推定、およびパワー割り当てが可能であり、通信のシンボル単位のプレコーディングも、ラジオから得られる遅延、ドップラー、角度推定値のみを用いて実現可能である。性能解析により、実際のシステムではパワー割り当てをラジオセンシングに優先すべきであることが示された。

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel integrated sensing and communication (ISAC) transmission framework based on the spatially-spread orthogonal time frequency space (SS-OTFS) modulation by considering the fact that communication channel strengths cannot be directly obtained from radar sensing. We first propose the concept of SS-OTFS modulation, where the key novelty is the angular domain discretization enabled by the spatial-spreading/de-spreading. This discretization gives rise to simple and insightful effective models for both radar sensing and communication, which result in simplified designs for the related estimation and detection problems. In particular, we design simple beam tracking, angle estimation, and power allocation schemes for radar sensing, by utilizing the special structure of the effective radar sensing matrix. Meanwhile, we provide a detailed analysis on the pair-wise error probability (PEP) for communication, which unveils the key conditions for both precoding and power allocation designs. Based on those conditions, we design a symbol-wise precoding scheme for communication based only on the delay, Doppler, and angle estimates from radar sensing, without the a priori knowledge of the communication channel fading coefficients, and also introduce the power allocation for communication. Furthermore, we notice that radar sensing and communication requires different power allocations. Therefore, we discuss the performances of both the radar sensing and communication with different power allocations and show that the power allocation should be designed leaning towards radar sensing in practical scenarios. The effectiveness of the proposed ISAC transmission framework is verified by our numerical results, which also agree with our analysis and discussions.

研究の動機と目的

• ミリ波帯におけるラジオと通信システム間のスペクトル混雑と共存課題を解決すること。
• ラジオセンシングと通信の間で共有されるチャネル特性を活用し、統合波形設計を実現すること。
• SS-OTFS変調を用いた、低複雑性かつ効果的なISAC送信フレームワークの開発。
• チャネルのフェージングに関する事前知識がなくても、ラジオ推定パラメータ（遅延、ドップラー、角度）のみを用いて通信プレコーディングを可能にすること。
• ラジオと通信の両方のパフォーマンス最適化のためのパワー割り当てを最適化し、ラジオ中心の割り当てが全体の性能を向上させることを示すこと。

提案手法

• 空間拡散による角度ドメインの量子化と、その逆変換を用いて、空間拡散OTFS（SS-OTFS）変調を導入。
• 構造化されたSS-OTFSフレームワークを用いて、ラジオセンシングおよび通信の有効モデルを導出。
• 有効なラジオセンシング行列構造に基づき、低複雑性のビームトラッキングおよび角度推定方式を設計。
• ラジオから得られる遅延、ドップラー、角度推定値のみを用いて、シンボル単位のプレコーディング方式を開発。CSIの知識が不要であることを実現。
• ペアワイズ誤り確率（PEP）解析と設計条件に基づき、通信のためのパワー割り当て戦略を提案。
• 異なるパワー割り当てにおけるラジオと通信のパフォーマンスを比較する性能解析を実施。その結果、ラジオ最適化の割り当てがより優れた結果をもたらすことが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SS-OTFSにおける空間拡散による角度ドメイン量子化は、ラジオと通信の統合システム設計を単純化できるか？
• RQ2 ラジオ推定パラメータ（遅延、ドップラー、角度）を活用することで、CSIが不明な状態でも効果的な通信プレコーディングが可能か？
• RQ3 提案されたISACフレームワークにおけるプレコーディングおよびパワー割り当てのための主要な設計条件は何か？
• RQ4 パワー割り当ては、ラジオセンシングと通信のパフォーマンストレードオフにどのように影響を与えるか？
• RQ5 実用的なISACシステムにおいて、ラジオセンシングにより多くのパワーを割り当てることにパフォーマンス上の利点があるか？

主な発見

• SS-OTFSフレームワークは、角度ドメイン量子化を活用することで、効果的なラジオと通信の統合を実現し、推定および検出問題の両方を単純化する。
• 有効なラジオセンシング行列構造により、完全なCSIを必要とせずに、低複雑性のビームトラッキングおよび角度推定が可能である。
• 通信プレコーディングは、ラジオから得られる遅延、ドップラー、角度推定値のみを用いて成功裏に設計可能であり、フェージング係数の事前知識が不要である。
• ペアワイズ誤り確率（PEP）解析により、通信リンクにおけるプレコーディングおよびパワー割り当てのための重要な設計条件が明らかになった。
• 数値結果により、パワー割り当てをラジオセンシングに傾けることで、全体のシステム性能が最大化されることを確認した。
• 提案されたフレームワークは、高いセンシングおよび通信パフォーマンスを達成しており、理論的解析および導出結果と整合している。