[論文レビュー] Full-Duplex Communication for ISAC: Joint Beamforming and Power Optimization

Zhenyao He, Wei Xu+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2022

Radar Systems and Signal Processing被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、同じ時間と周波数リソースで同時にダウンリンク・アップリンク通信とレーダー探索を実行するフルデュプレックス（FD）統合センシング・コミュニケーション（ISAC）システムを提案する。ダウンリンクビームフォーミング、アップリンクユーザーの送信電力、受信ビームフォーマーを共同最適化することにより、半デュプレックスISACに比べてスペクトル効率および電力効率の大幅な向上を達成し、電力最小化および合計スループット最大化のための閉形式解と反復アルゴリズムを提供する。

ABSTRACT

Beamforming design has been widely investigated for integrated sensing and communication (ISAC) systems with full-duplex (FD) sensing and half-duplex (HD) communication. To achieve higher spectral efficiency, in this paper, we extend existing ISAC beamforming design by considering the FD capability for both radar and communication. Specifically, we consider an ISAC system, where the BS performs target detection and communicates with multiple downlink users and uplink users reusing the same time and frequency resources. We jointly optimize the downlink dual-functional transmit signal and the uplink receive beamformers at the BS and the transmit power at the uplink users. The problems are formulated under two criteria: power consumption minimization and sum rate maximization. The downlink and uplink transmissions are tightly coupled due to both the desired target echo and the undesired interference received at the BS, making the problems challenging. To handle these issues in both cases, we first determine the optimal receive beamformers, which are derived in closed forms with respect to the BS transmit beamforming and the user transmit power, for radar target detection and uplink communications, respectively. Subsequently, we invoke these results to obtain equivalent optimization problems and propose efficient iterative algorithms to solve them by using the techniques of rank relaxation and successive convex approximation (SCA), where the adopted relaxation is proven to be tight. In addition, we consider a special case under the power minimization criterion and propose an alternative low complexity design. Numerical results demonstrate that the optimized FD communication-based ISAC brings tremendous improvements in terms of both power efficiency and spectral efficiency compared to the conventional ISAC with HD communication.

研究の動機と目的

• IoTやスマートファクトリーを含む将来の無線ネットワークにおける、より高いスペクトル効率およびエネルギー効率のニーズに対応するため、センシングと通信を統合する。
• 従来の半デュプレックスISACシステムの制限を克服する。半デュプレックスISACでは、通信またはセンシングのどちらか一方がフルデュプレックスモードで動作する。
• 時間と周波数リソースを共有することで、レーダー探索とアップリンク／ダウンリンク通信の両方を同時にフルデュプレックスで実行可能にする。
• 送信電力最小化および合計スループット最大化という2つの基準に基づき、最適化問題を定式化し、解法を提示する。
• 干渉を管理し、性能を向上させるために、ダウンリンク送信ビームフォーミング、アップリンクユーザー電力、受信ビームフォーマーを共同で最適化するシステムを設計する。

提案手法

• 基地局（BS）が、ダウンリンク通信とレーダー探索の両方を実行する二重機能信号を送信し、同時にアップリンク通信とレーダーエコーを受信するISACシステムを定式化する。
• 送信ビームフォーミングとユーザー電力の関数として、最適なアップリンク受信ビームフォーマーおよびダウンリンク受信ビームフォーマーの閉形式表現を導出する。
• 2次錐緩和と変数置換を用いて、元の非凸最適化問題を2次錐計画問題（SOCP）に変換する。
• フルデュプレックス動作下での電力最小化および合計スループット最大化の両問題に対して、等価なSOCPを解く反復アルゴリズムを提案する。
• 最適ビームフォーマーの構造を活用することで、電力最小化の特殊ケースに対する低複雑度設計を導入する。
• 性能比較のため、時間分割双方向（TDD）ベンチマーク方式を用い、半デュプレックス動作下でのダウンリンクおよびアップリンクモードの最適化問題を定式化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにすれば、フルデュプレックス動作をISACシステムに効果的に統合し、同時にアップリンク通信、ダウンリンク通信、レーダー探索を実現できるか？
• RQ2 通信およびセンシングの両方のSINR制約を満たしつつ、合計送信電力を最小化する最適な共同ビームフォーミングおよび電力割り当て戦略は何か？
• RQ3 提案された共同最適化は、従来の半デュプレックスISACシステムに比べて、スペクトル効率およびエネルギー効率をどのように向上させるか？
• RQ4 フルデュプレックス動作下で、受信ビームフォーマーに対して閉形式解を導出可能か？また、それらの解は最適化プロセスをどのように簡素化するか？
• RQ5 ISACシステムにフルデュプレックス通信を導入することで、合計スループットおよび電力効率の面で、どの程度の性能向上が達成可能か？

主な発見

• 数値結果により、提案されたフルデュプレックスISACシステムは、半デュプレックスISACに比べてスペクトル効率およびエネルギー効率の面で顕著な向上を達成していることが確認された。
• SOCP再定式化に基づく反復アルゴリズムは、電力最小化および合計スループット最大化の両問題において、最適解に収束することが示された。
• 最適なアップリンクおよびダウンリンク受信ビームフォーマーの閉形式表現が導出され、計算複雑度が顕著に低減された。
• 電力最小化ケースにおける低複雑度設計は、計算負荷を低減しつつ、ほぼ最適性能を達成した。
• 数値結果から、FD ISACシステムはTDDベンチマークよりも平均消費電力および達成可能な合計スループットの両面で優れていることが示された。
• 通信ユーザーおよびレーダー標的の両方に対して、必要なSINRレベルを維持していることから、干渉制約下でも堅牢性が確認された。