[論文レビュー] Beamforming in Integrated Sensing and Communication Systems with Reconfigurable Intelligent Surfaces

R. S. Prasobh Sankar, Sundeep Prabhakar Chepuri+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、通信強化のための単一RISまたは連携通信・レーダー性能最適化のための二重RISを用いた、統合センシングと通信(ISAC)システムにおける新規なビームフォーミングおよび再構成可能知能表面(RIS)位相シフト設計を提案する。本手法は、半定値プログラミングとDinkelbach反復を用いた交互最適化を採用し、特に直線視線(LoS)リンクが遮断された状況下で、ユーザーの公平性およびターゲットの照照明に顕著な向上を達成する。

ABSTRACT

We consider transmit beamforming and reflection pattern design in reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted integrated sensing and communication (ISAC) systems to jointly precode communication symbols and radar waveforms. We treat two settings of multiple users and targets. In the first, we use a single RIS to enhance the communication performance of the ISAC system and design beams with good cross-correlation properties to match a desired beam pattern while guaranteeing a desired signal-to-interference plus noise ratio (SINR) for each user. In the second setting, we use two dedicated RISs to aid the ISAC system, wherein the beams are designed to maximize the worst-case target illumination power while guaranteeing a desired SINR for each user. We propose solvers based on alternating optimization as the design problems in both cases are non-convex optimization problems. Through a number of numerical simulations, we demonstrate the advantages of RIS-assisted ISAC systems. In particular, we show that the proposed single-RIS assisted ISAC system improves the minimum user SINR while suffering from a moderate loss in radar target illumination power. On the other hand, the dual-RIS assisted ISAC system improves both minimum user SINR as well as worst-case target illumination power at the targets, especially when the users and targets are not directly visible.

研究の動機と目的

• ミリ波帯域におけるパスロスの影響により、ユーザーまたはターゲットへの直接的な直線視線(LoS)リンクが遮断された場合に生じるISACシステムの性能劣化を是正すること。
• 通信の公平性(SINR)とレーダーのターゲット照照明パワーを同時に最適化する送信ビームフォーマーおよびRIS位相シフトの設計。
• 二つの構成を検討する：通信強化のための単一RIS、および同時に通信とレーダー支援を実現するための二つの専用RIS。
• 実用的なハードウェア制約下での非凸最適化ソルバーを効率的に開発すること。

提案手法

• ビームフォーミングとRIS位相シフト設計を分離するために、交互最適化を用い、各サブプロブレムを反復的に解く。
• 固定されたRIS位相シフトの下で、SINRとビームパターン一致の非凸制約に対処するため、半定値緩和(SDR)を用いてビームフォーミング設計を解く。
• 固定されたビームフォーマーの下で、公平性SINRを最大化するために、一般化Dinkelbach反復を用いて通信用RIS位相シフトを設計する。
• 固定されたビームフォーマーの下で、最悪ケースのターゲット照照明パワーを最大化するために、半定値プログラミングを用い、その後ガウスノイズ化を実施してレーダー用RIS位相シフトを設計する。
• 二段階最適化を採用：まず、固定されたRISシフト下でビームフォーマーを最適化し、次に固定されたビームフォーマー下でRISシフトを最適化し、収束するまで交互に繰り返す。
• 性能トレードオフを比較するため、単一RIS（通信専用）および二重RIS（通信専用およびレーダー専用のRIS）の両方の構成を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一RISを用いることで、レーダー性能をある程度維持しつつ、ISACシステムにおけるユーザーの公平性を向上させることができるか？
• RQ2 通信用とレーダー用に専用化された二重RIS（一つは通信、もう一つはレーダー）を用いることで、特に非直線視線(NLoS)状況下で、通信SINRと最悪ケースのターゲット照照明パワーの両方を顕著に向上させることができるか？
• RQ3 手動で選択されたまたは固定されたRIS位相を用いたベンチマーク手法と比較して、提案手法のビームフォーミングおよびRIS位相シフト設計の性能はどのように異なるか？
• RQ4 RIS素子数および非直線視線ターゲット数の増加が、システム性能に与える影響は何か？
• RQ5 SINR要件を高めることで、通信の公平性とレーダー照照明のトレードオフにどのような影響が生じるか？

主な発見

• 単一RISを用いたISACシステムでは、ベンチマークと比較して最小ユーザーSINRが最大12 dB向上し、最悪ケースのターゲット照照明パワーはわずか3 dBの損失にとどまる。
• 二重RISを用いたISACシステムでは、ターゲットがDFBSから直接見えない状況下で、次善のベンチマークと比較して最悪ケースのターゲット照照明パワーが12 dB以上向上した。
• すべてのターゲットが直接可視（T_d = 5）の場合、すべての手法が同等に性能を発揮するが、提案手法でもわずかな性能向上が得られた。
• RIS素子数が増加するにつれて、RISのアレイゲインの増加に伴い、公平性SINRおよび最悪ケースのターゲット照照明パワーが両方向上した。
• 直接パスが遮断された状況下でも、提案手法は最小ユーザーSINRを5 dBに維持でき、NLoS環境下でのロバストネスを示した。
• 二重RIS構成は、特にLoSパスが遮断された状況下で、単一RISおよび手動RIS位相選択よりも顕著に優れた性能を発揮した。これは、レーダーと通信のための専用ビームフォーミングが可能であるためである。