[論文レビュー] Exploiting Sensing Signal in ISAC: A NOMA Inspired Scheme

Zhaolin Wang, Xidong Mu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2022

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、干渉として扱われるのではなく、感応信号を追加の情報伝送ビームとして活用するNOMAにインspiredされた統合感応・通信(ISAC)フレームワークを提案する。ユーザーにおいて逐次干渉キャンセレーションを適用することで、従来の最先端手法と比較してスペクトル効率が向上し、通信レートと感応精度の優れたトレードオフを達成する。

ABSTRACT

A non-orthogonal multiple access (NOMA)-inspired integrated sensing and communication (ISAC) framework is proposed, where a dual-functional base station (BS) transmits the composite communication and sensing signals. In contrast to treating the sensing signal as a harmful interference to communication, in this work, multiple beams of the sensing signal are exploited to convey extra information streams based on the concept of NOMA. Then, each communication user detects the extra information streams and the existing legacy information streams with the aid of successive interference cancellation (SIC). Based on the proposed framework, a multiple-objective optimization problem (MOOP) is formulated to characterize the trade-off between the communication throughput and sensing beampattern accuracy. For the general multiple-user scenario, the formulated MOOP is firstly converted to a single-objective optimization problem via the e-constraint method. Then, a double-layer block coordinate descent (BCD) algorithm is proposed by employing fractional programming and successive convex approximation to find a high-quality sub-optimal solution. For the special single-user scenario, the globally optimal solution can be obtained by transforming the MOOP into a convex quadratic semidefinite program. Moreover, it is rigorously proved that 1) in the multiple-user scenario, the proposed NOMA-inspired ISAC framework always outperforms the state-of-the-art sensing-interference-cancellation (SenIC) ISAC frameworks by further exploiting sensing signals for delivering extra information streams; 2) in the special single-user scenario, the proposed NOMA-inspired ISAC framework achieves the same performance as the existing SenIC ISAC frameworks, which reveals that the coordination of sensing interference is not necessarily required in this case. Numerical results verify the theoretical results.

研究の動機と目的

• 従来のISACシステムにおいて感応信号が干渉として扱われるための未利用状態を是正すること。
• NOMAの原則を用いて感応ビームを追加の情報伝送ストリームに変換することでスペクトル効率を向上させること。
• 全電力制約下でのビームフォーミング設計を最適化し、通信スループットと感応ビームパターンの正確さの両立を図ること。
• 提案手法がマルチユーザー環境における既存の感応干渉キャンセレーション(SenIC)フレームワークを常に上回ることを証明すること。
• 単一ユーザーの特殊ケースに対してはグローバル最適解を導出するとともに、一般のマルチユーザー状況では部分最適解を導出すること。

提案手法

• 通信ビームと感応ビームを組み合わせた複合信号を送信する二機能型ベースステーションを提案する。
• 非直交多重アクセス(NOMA)の原則を用いて、複数ユーザーがレガシ通信ストリームと感応ビームに担われた追加情報の両方を復元可能とする。
• 各ユーザーにおいて、信号強度の順に重ね合わせられたストリームを逐次干渉キャンセレーション(SIC)で復元する。
• ε制約法を用いて多目的最適化問題(MOOP)を単目的最適化問題(SOOP)に再定式化する。
• 一般のマルチユーザー状況における部分最適解を達成するため、分数プログラミングと逐次凸近似(SCA)を組み合わせた二段階ブロック座標降下(BCD)アルゴリズムを開発する。
• 単一ユーザー状況では、MOOPを凸二次半定値計画問題(QSDP)に変換することで、グローバル最適なビームフォーミング設計を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ISACシステムにおける感応信号を、スペクトル効率の向上を図るために情報伝送ビームとして再利用可能か？
• RQ2 提案されたNOMAにインスパイされたISACフレームワークは、通信レートと感応精度の観点で、既存のSenICフレームワークと比較してどのように性能を発揮するか？
• RQ3 全電力制約下で、通信スループットと感応ビームパターンの正確さを効果的にバランスさせるビームフォーミング設計戦略は何か？
• RQ4 提案手法がグローバル最適性を達成する条件は何か。また、部分最適解で十分な状況はどのようなものか？
• RQ5 単一ユーザーISACシステムでは、感応干渉の調整が必要か？

主な発見

• 提案されたNOMAにインスパイされたISACフレームワークは、感応信号を追加のデータ送信に活用することで、マルチユーザー環境において常に最先端のSenICフレームワークを上回る性能を発揮する。
• 単一ユーザー状況では、提案手法は既存のSenICフレームワークと同等の性能を達成しており、この状況では感応干渉の調整が不要であることを示している。
• 数値結果により、感応信号の1つのビームを追加情報ストリームに活用するだけで、顕著な性能向上が達成可能であることが確認された。
• 分数プログラミングと逐次凸近似を組み合わせた二段階BCDアルゴリズムは、一般のマルチユーザー状況において高品質な部分最適解を達成する。
• 単一ユーザー状況では、MOOPを凸二次半定値計画問題(QSDP)に変換することで、グローバル最適なビームフォーミング解を導出可能である。
• 理論的分析により、提案手法における最適通信レートは、レガシおよびSenICフレームワークのそれ以上に常に達成可能であり、特にマルチユーザー環境では厳密な改善が示された。