[論文レビュー] NOMA Empowered Integrated Sensing and Communication

Zhaolin Wang, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2021

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 15被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、多重アンテナを備えた基地局が、パワー・ドメインNOMAを用いて複数のユーザーを同時にサービス提供するとともに、重ね合わせ信号をレーダー感知に活用する、NOMAを活用した統合感知・通信(ISAC)フレームワークを提案する。逐次干渉キャンセレーション(SIC)と二重層ペナルティに基づく逐次凸近似アルゴリズムを用いることで、特に高い空間相関性や過負荷状態において、従来のISACを上回る通信-感知のトレードオフ性能を達成し、通信スループットおよび感知ゲインの両面で理想ISAC性能に近づく。

ABSTRACT

A non-orthogonal multiple access (NOMA) empowered integrated sensing and communication (ISAC) framework is investigated. A dual-functional base station serves multiple communication users employing NOMA, while the superimposed NOMA communication signal is simultaneously exploited for target sensing. A beamforming design problem is formulated to maximize the weighted sum of the communication throughput and the effective sensing power. To solve this problem, an efficient double-layer penalty-based algorithm is proposed by invoking successive convex approximation. Numerical results show that the proposed NOMA-ISAC outperforms the conventional ISAC in the underloaded regime experiencing highly correlated channels and in the overloaded regime.

研究の動機と目的

• 空間自由度が限られる状況において、従来のISACが性能に限界を示す過負荷または高い空間相関性を持つチャネル環境における性能制限を是正すること。
• 非直交多重アクセス(NOMA)をISACに統合することでスペクトル効率を向上させるとともに、ユーザー間干渉を軽減すること。
• サービス品質制約およびレーダー制約の下で、通信スループットの重み付き和と有効感知パワーを最大化するためのビームフォーミングを共同最適化すること。
• NOMA-ISACにおける非凸なビームフォーミング設計問題を解くためのスケーラブルで低複雑度のアルゴリズムを開発すること。

提案手法

• 最小レート制約およびレーダー固有の制約の下で、通信スループットと有効感知パワーの重み付き和を最大化するビームフォーミング設計問題を定式化する。
• 最適化問題の非凸性に対処するために、逐次凸近似(SCA)を適用する。
• ユーザーのレート制約とレーダー感知要件の両方を処理するための二重層ペナルティに基づくアルゴリズムを導入する。
• 強い信号を最初に復調し、弱い信号をノイズとして扱うことで、逐次干渉キャンセレーション(SIC)をユーザーで実行し、パワー・ドメイン多重通信を可能にする。
• 大規模路損行列を用いて空間相関チャネルをモデル化し、チャネル相関をビームフォーミング設計に組み込む。
• 性能トレードオフおよびビームパターンの評価のため、400回のチャネル実現値に対してモンテカルロシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間相関性が高く、またはシステムが過負荷状態にある場合、従来のISACが空間自由度が限られるために失敗する状況において、NOMAはISAC性能を向上させ得るか？
• RQ2 通信スループットと有効感知パワーのトレードオフという観点から、NOMA-ISACは従来のISACと比べてどのように異なるか？
• RQ3 NOMA-ISACは、通信と感知が独立して動作する理想ISACシステムの性能に、どの程度近づけるか？
• RQ4 過負荷状態において、NOMA-ISACのビームフォーミング設計は、送信ビームパターンおよび感知指向性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 チャネル相関の影響は、NOMA-ISACと従来のISACとの性能差に、どのように寄与するか？

主な発見

• 過負荷状態（N=4, K=6）では、SICによる効果的な干渉低減のおかげで、NOMA-ISACは従来のISACに比べて顕著な性能向上を達成する。特に高い空間相関性下で顕著である。
• 空間相関性が高い状況では、NOMA-ISACは過負荷でない状態（N=4, K=2）でも従来のISACを上回るが、相関性が低い状況では従来のISACが優れている。
• 過負荷状態でも、NOMA-ISACの送信ビームパターンは、意図した方向（-40°および40°）に明確なメインローブを維持するが、従来のISACは不要な方向への電力漏れが著しく見られる。
• NOMA-ISACと理想ISACシステムとの性能差は最小限に抑えられており、通信および感知の両面で理論的上限にほぼ達していることが示唆される。
• 過負荷状態では、NOMA-ISACは高い通信スループット（13.5 bit/s/Hz）を維持しながらも、強力な有効感知パワーを達成しており、耐障害性およびスペクトル効率の高さを示している。
• 二重層ペナルティに基づくSCAアルゴリズムは安定して収束し、非凸なビームフォーミング問題の効率的解法を可能にし、リアルタイム実装における実用性を裏付けた。