[論文レビュー] Multi-functional OFDM Signal Design for Integrated Sensing, Communications, and Power Transfer

Yumeng Zhang, Sundar Aditya+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2023

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、統合センシング・通信・電力送受信（ISCAP）のための多機能OFDM信号設計を提案し、各サブキャリアにおける非ゼロ平均非対称ガウス入力分布を最適化することで、レートおよびセンシング性能制約を満たしつつ、回収電力を最大化する。最適化された波形は、従来の共存型または対称的信号設計と比較して、より広い性能領域を達成し、適応的パワーおよび平均割り当てにより、3つの機能間の優れたトレードオフを実現する。

ABSTRACT

The wireless domain is witnessing a flourishing of integrated systems, e.g. (a) integrated sensing and communications, and (b) simultaneous wireless information and power transfer, due to their potential to use resources (spectrum, power) judiciously. Inspired by this trend, we investigate integrated sensing, communications and powering (ISCAP), through the design of a wideband OFDM signal to power a sensor while simultaneously performing target-sensing and communication. To characterize the ISCAP performance region, we assume symbols with non-zero mean asymmetric Gaussian distribution (i.e., the input distribution), and optimize its mean and variance at each subcarrier to maximize the harvested power, subject to constraints on the achievable rate (communications) and the average side-to-peak-lobe difference (sensing). The resulting input distribution, through simulations, achieves a larger performance region than that of (i) a symmetric complex Gaussian input distribution with identical mean and variance for the real and imaginary parts, (ii) a zero-mean symmetric complex Gaussian input distribution, and (iii) the superposed power-splitting communication and sensing signal (the coexisting solution). In particular, the optimized input distribution balances the three functions by exhibiting the following features: (a) symbols in subcarriers with strong communication channels have high variance to satisfy the rate constraint, while the other symbols are dominated by the mean, forming a relatively uniform sum of mean and variance across subcarriers for sensing; (b) with looser communication and sensing constraints, large absolute means appear on subcarriers with stronger powering channels for higher harvested power. As a final note, the results highlight the great potential of the co-designed ISCAP system for further efficiency enhancement.

研究の動機と目的

• 高レート通信、高精度センシング、効率的無線電力送受信を同時に実現できる統一されたOFDM波形の設計。
• データレートおよびセンシング精度の共同制約下での、統合センシング・通信・電力供給（ISCAP）の性能領域の特定。
• 通信およびセンシング要件を満たしつつ、回収電力を最大化するための、OFDMサブキャリア間での入力信号分布（平均および分散）の最適化。
• 性能領域およびトレードオフ効率の観点から、共設計されたISCAPが共存型または対称的信号ソリューションを上回ることの実証。

提案手法

• 著者らは、各サブキャリアごとに非ゼロ平均非対称ガウス分布を用いてOFDM入力信号をモデル化し、平均および分散の独立的最適化を可能にする。
• 達成可能な通信レートおよび平均サイド lob とピーク lob の差（センシング精度の代理指標）に関する制約を満たしつつ、回収電力を最大化する凸最適化問題を定式化する。
• 問題は二次制約付き二次計画（QCQP）問題として定式化され、ラグランジュ緩和およびセンシング制約乗数に対するバイセクション探索を用いた逐次最適化により解かれる。
• 解法では、パワー共分散行列の非対角成分を直接計算し、センシング制約の双対変数に関連する反復的根の探索により対角成分を導出する。
• アルゴリズムは、信号共分散行列の更新と双対変数の精密化を収束するまで繰り返し実行する。
• 提案手法の性能は、対称的複素ガウス、ゼロ平均対称的ガウス、および重ね合わせ型パワー分割信号の3つのベースラインと比較するシミュレーションにより評価される。

Figure 1 : System and OFDM Signal Model for ISCAP.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのOFDM波形を共同設計することで、高レート通信、高精度センシング、効率的無線電力送受信を同時に実現可能か？
• RQ2 ISCAPの性能領域は、共存型または重ね合わせ型通信・センシング・電力送受信システムと比較してどのように異なるか？
• RQ3 通信レート、センシング精度、回収電力のトレードオフを最適化するための、サブキャリア間での最適な入力分布（平均および分散）は何か？
• RQ4 各関数のチャネル状態に応じて、サブキャリア間での平均および分散の割り当てはどのように変化するか？

主な発見

• 提案された非対称ガウス入力分布は、対称的複素ガウス入力、ゼロ平均入力、および重ね合わせ型パワー分割ソリューションと比較して、より広いISCAP性能領域を達成する。
• 通信チャネルが強いサブキャリアには、レート制約を満たすために高い分散が割り当てられ、センシングまたは電力送受信チャネルが強いサブキャリアには、センシングまたは回収効率を向上させるために大きな平均値が割り当てられる。
• 最適化された設計は、一貫したセンシング性能を実現するため、サブキャリア全体にわたり平均と分散の和を均等に分配することで、バランスの取れたトレードオフを示す。
• 制約が緩い場合には、電力送受信チャネルが強いサブキャリアに、回収電力を最大化するための絶対値が大きな平均値が割り当てられる。
• 結果から、共設計されたISCAP信号が共存型ソリューションを著しく上回ることが確認され、今後の無線ネットワークにおけるスペクトル効率およびエネルギー効率の向上の可能性が示された。