[論文レビュー] Location Sensing and Beamforming Design for IRS-Enabled Multi-User ISAC Systems

Zhouyuan Yu, Xiaoling Hu+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、同じ時間周波数リソースを用いて上行リンク通信と複数ユーザーの局所化を統合的に行うIRS搭載マルチユーザーISACフレームワークを提案する。上行リンク信号を用いたブレインド局所化と、測定済みユーザー位置を用いた離散位相シフトビームフォーミングの設計により、不完全なCSIおよびハードウェア制約下でもミリメートルレベルの位置決め精度とほぼ最適な和レート性能を達成する。

ABSTRACT

This paper explores the potential of the intelligent reflecting surface (IRS) in realizing multi-user concurrent communication and localization, using the same time-frequency resources. Specifically, we propose an IRS-enabled multi-user integrated sensing and communication (ISAC) framework, where a distributed semi-passive IRS assists the uplink data transmission from multiple users to the base station (BS) and conducts multi-user localization, simultaneously. We first design an ISAC transmission protocol, where the whole transmission period consists of two periods, i.e., the ISAC period for simultaneous uplink communication and multi-user localization, and the pure communication (PC) period for only uplink data transmission. For the ISAC period, we propose a multi-user location sensing algorithm, which utilizes the uplink communication signals unknown to the IRS, thus removing the requirement of dedicated positioning reference signals in conventional location sensing methods. Based on the sensed users' locations, we propose two novel beamforming algorithms for the ISAC period and PC period, respectively, which can work with discrete phase shifts and require no channel state information (CSI) acquisition. Numerical results show that the proposed multi-user location sensing algorithm can achieve up to millimeter-level positioning accuracy, indicating the advantage of the IRS-enabled ISAC framework. Moreover, the proposed beamforming algorithms with sensed location information and discrete phase shifts can achieve comparable performance to the benchmark considering perfect CSI acquisition and continuous phase shifts, demonstrating how the location information can ensure the communication performance.

研究の動機と目的

• 同じリソースを用いて同時通信と局所化を実現することで、統合センシング・コミュニケーション（ISAC）におけるスペクトル効率とシステム複雑度のトレードオフを解消する。
• 従来の局所化手法が専用の位置決め信号を必要とするのを克服し、上行リンク通信信号を用いてブレインドで複数ユーザーの位置を推定する。
• 測定済みユーザー位置を活用して、離散位相シフトと不完全なチャネル状態情報（CSI）の下でも上行リンク和レートを向上させるビームフォーミングアルゴリズムを設計する。
• ISAC期間と純粋通信（PC）期間の間の時間割り当てを最適化し、局所化精度と通信性能のバランスを取る。
• 位置情報が完全なCSIに代わってビームフォーミング設計に有効に機能することを実証し、低ハードウェア複雑度で高性能な通信を実現可能にする。

提案手法

• 2段階の送信プロトコルを提案：最初に通信と局所化を同時に行うISAC期間を設け、その後に上行リンクデータ伝送に特化したPC期間を実施する。
• 上行リンク信号を活用して、専用のリファレンス信号やIRSにおけるCSIが不要な複数ユーザーの位置推定アルゴリズムを開発する。
• 測定済みユーザー位置と離散位相シフトを用い、瞬時のCSIが不要なISAC期間のビームフォーミングアルゴリズムを設計する。
• PC期間に同様の位置推定値を活用して和レートを最大化するための2番目のビームフォーミングアルゴリズムを提案する。
• 離散位相シフトの取り扱いや収束性の向上を目的として、主要化・最小化（MM）アプローチを用いてビームフォーミング最適化問題を定式化する。
• ISAC期間とPC期間の時間割り当て最適化フレームワークを導入し、最適な比率は送信電力と測定精度に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 専用の位置決め信号やIRSにおけるCSIがなくても、上行リンク通信信号のみで高精度な複数ユーザーの局所化が可能か？
• RQ2 離散位相シフトと不完全なCSIの下で、測定済みユーザー位置を効果的に活用してビームフォーミングを設計する方法は何か？
• RQ3 ISAC期間とPC期間の最適な時間割り当ては何か？ これは全体のシステム性能を最大化するためのものである。
• RQ4 位置情報に基づくビームフォーミングは、連続位相シフトを用いたCSIベースのビームフォーミングとどの程度性能が同等になるか？
• RQ5 送信電力が上昇すると、十分な局所化精度を達成するためのISAC期間の必要時間はどのように変化するか？

主な発見

• 提案された複数ユーザー位置推定アルゴリズムは、90%の確率でミリメートルレベルの位置決め精度を達成し、上行リンク信号を用いたブレインド局所化の実現可能性を示した。
• PC期間における和レートは、ISAC期間よりも顕著に向上しており、分散配置された多数のサブ-IRSが送信を支援しているためである。
• 離散位相シフトと位置情報を利用した提案されたビームフォーミングアルゴリズムは、完全なCSIと連続位相シフトを仮定したベンチマークと同等の和レート性能を達成した。
• ISAC期間の最適時間比（全体時間に対する比率）は、送信電力の増加に伴い減少し、-5 dBmでは約1から25 dBmではほぼ0に低下する。
• 送信電力が高くなると、局所化精度が急速に向上するため、ISAC期間の延長が不要となり、結果として期間を短くできる。
• 半透過型IRS素子の数を増やすか、測定時間を延長することで、さらに局所化精度が向上し、提案フレームワークのスケーラビリティを裏付けた。