[論文レビュー] Enabling Joint Communication and Radio Sensing in Mobile Networks -- A Survey

Lushanur Rahman, J. Andrew Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2020

Radar Systems and Signal Processing参考文献 203被引用数 46

ひとこと要約

本稿は、既存インフラを活用して広域的な環境センシングを可能にする、共同通信とレーダー感知（JCAS）をモバイルネットワークに統合した知覚型モバイルネットワーク（PMN）を提案する。近年のJCASシステムの進展を調査し、センシング動作と信号利用を含むPMNフレームワークを提示し、8つの技術的トピックにわたる主な研究課題と解決策を特定する。

ABSTRACT

Mobile network is evolving from a communication-only network towards the one with joint communication and radio/radar sensing (JCAS) capabilities, that we call perceptive mobile network (PMN). Radio sensing here refers to information retrieval from received mobile signals for objects of interest in the environment surrounding the radio transceivers. In this paper, we provide a comprehensive survey for systems and technologies that enable JCAS in PMN, with a focus on works in the last ten years. Starting with reviewing the work on coexisting communication and radar systems, we highlight their limits on addressing the interference problem, and then introduce the JCAS technology. We then set up JCAS in the mobile network context, and envisage its potential applications. We continue to provide a brief review for three types of JCAS systems, with particular attention to their differences on the design philosophy. We then introduce a framework of PMN, including the system platform and infrastructure, three types of sensing operations, and signals usable for sensing, and discuss required system modifications to enable sensing on current communication-only infrastructure. Within the context of PMN, we review stimulating research problems and potential solutions, organized under eight topics: mutual information, waveform optimization, antenna array design, clutter suppression, sensing parameter estimation, pattern analysis, networked sensing under cellular topology, and sensing-assisted secure communication. This paper provides a comprehensive picture for the motivation, methodology, challenges, and research opportunities of realizing PMN. The PMN is expected to provide a ubiquitous radio sensing platform and enable a vast number of novel smart applications.

研究の動機と目的

• 共存する通信およびレーダーシステムの限界を克服するため、モバイルネットワークにおける共同通信と無線感知（JCAS）の統合フレームワークを提案すること。
• 既存の通信インフラを活用する知覚型モバイルネットワーク（PMN）を確立し、広域的な無線感知プラットフォームを実現すること。
• 現在のモバイルネットワークアーキテクチャ内にセンシング機能を実装するにあたり、主な技術的課題を特定および分析すること。
• JCASにおけるオープンな研究課題を8つのテーマ分野に整理すること。その中には波形設計、ゴミ信号抑制、ネットワーク化されたセンシングが含まれる。
• PMNによって可能になる感知支援型セキュア通信やその他の新規アプリケーションの可能性を検討すること。

提案手法

• 最近10年間の共存通信およびレーダーシステムに関する先行研究を調査し、干渉の制限要因を特定し、JCAS技術への移行を検討すること。
• ネットワークプラットフォーム、3種類のセンシング動作（局所的、協調的、ネットワーク化された）、およびセンシングに利用可能な信号を含むPMNのシステムフレームワークを提案すること。
• 通信専用インフラ上でセンシングを可能にするために必要なシステム改変を分析し、信号設計およびハードウェア互換性に焦点を当てる。
• 設計哲学に基づきJCASシステムを3種類に分類する：共同設計、共存、再利用。信号およびリソース管理におけるそれらの違いに注目する。
• 相互情報量、波形最適化、アレイアンテナ設計、ゴミ信号抑制、センシングパラメータ推定、パターン解析、セルラートポロジーにおけるネットワーク化されたセンシング、感知支援型セキュア通信の8つのコアトピックにわたる研究課題の分類を提示する。
• 信号処理、情報理論、ネットワークアーキテクチャの原則に基づいた各研究トピックに対する技術的洞察と潜在的解決策を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通信性能を損なわずに、既存のモバイルネットワークインフラに共同通信と無線感知をどのように効率的に統合できるか。
• RQ2 JCASシステムにおいて、通信レートと感知精度の間の根本的トレードオフは何か。また、それらを最適化する方法は何か。
• RQ3 移動環境においてゴミ信号や干渉を効果的に抑制するにはどうすればよいか。これにより、通信信号を用いた信頼性の高い感知が可能になる。
• RQ4 高分解能の感知と信頼性の高い通信を同時に達成するための最適な波形およびアレイ設計戦略は何か。
• RQ5 セルラートポロジーにおけるネットワーク化されたセンシングは、低遅延と高いスケーラビリティを維持しながら、空間的カバレッジと精度をどのように向上できるか。

主な発見

• PMNフレームワークは、既存の通信信号およびインフラを再利用することで、広域的な無線感知プラットフォームを実現し、導入コストと複雑さを低減する。
• 信号再利用および共同設計に基づくJCASシステムは、従来の共存アプローチに比べ、スペクトル効率が高く、干渉が少ない。
• アンテナアレイ設計と波形最適化は、混雑したモバイル環境における高分解能の感知と信頼性の高い通信を達成するために不可欠である。
• ゴミ信号抑制技術は、都市部および屋内環境における multipath と静止散乱体の影響を軽減することで、感知精度を顕著に向上させる。
• 感知支援型セキュア通信は、環境感知とチャネル状態モニタリングを通じて盗聴者を検出することで、物理層セキュリティを強化できる。
• セルラートポロジーにおけるネットワーク化されたセンシングは、分散型信号処理とデータ統合を通じて協調的センシング利点を実現し、ターゲット検出性能を向上させる。