[論文レビュー] Waveform Design and Performance Analysis for Full-Duplex Integrated Sensing and Communication

Xiao Zhiqiang, Yong Zeng|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2021

Radar Systems and Signal Processing被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、従来のパルスレーダ波形と専用の通信信号を時間多重するフルデュプレックス統合センシングおよび通信（FD-ISAC）波形を提案する。これにより、高レート通信と向上したセンシング性能を実現する。レーダ波形の自己相関特性を維持するとともに、フルデュプレックス動作を活用することで、自己干渉が効果的に抑制される限り、通信スペクトル効率とターゲット検出確率の顕著な向上が達成され、日食効果やブラインドレンジ問題の緩和も可能となる。

ABSTRACT

Integrated sensing and communication (ISAC) is a promising technology to fully utilize the precious spectrum and hardware in wireless systems, which has attracted significant attentions recently. This paper studies ISAC for the important and challenging monostatic setup, where one single ISAC node wishes to simultaneously sense a radar target while communicating with a communication receiver. Different from most existing schemes that rely on either radar-centric half-duplex (HD) pulsed transmission with information embedding that suffers from extremely low communication rate, or communication-centric waveform that suffers from degraded sensing performance, we propose a novel full-duplex (FD) ISAC scheme that utilizes the waiting time of conventional pulsed radars to transmit dedicated communication signals. Compared to radar-centric pulsed waveform with information embedding, the proposed design can drastically increase the communication rate, and also mitigate the sensing eclipsing and near-target blind range issues, as long as the self-interference (SI) is effectively suppressed. On the other hand, compared to communication-centric ISAC waveform, the proposed design has better auto-correlation property as it preserves the classic radar waveform for sensing. Performance analysis is developed by taking into account the residual SI, in terms of the probability of detection and ambiguity function for sensing, as well as the spectrum efficiency for communication. Numerical results are provided to show the significant performance gain of our proposed design over benchmark schemes.

研究の動機と目的

• 単一受信型統合センシングおよび通信（ISAC）システムにおける通信レートとセンシング性能のトレードオフを解消すること。
• 低通信レートを特徴とするレーダ中心のハーフデュプレックス方式の制限と、センシング分解能が低い通信中心の波形の限界を克服すること。
• 古典的レーダ波形の自己相関特性を保持しつつ、高レート通信を可能にするフルデュプレックスISAC波形の設計。
• 残留自己干渉を考慮した場合の提案FD-ISAC方式の性能分析。検出確率、アンビグアティ関数、スペクトル効率を対象とする。

提案手法

• 提案されたFD-ISAC波形は、レーダの待機インターバル中に従来のパルスレーダ信号と専用通信信号を時間多重する。
• センシングに線形周波数変調（LFM）波形を用い、優れた自己相関性および距離分解能特性を維持する。
• 通信シンボルは、レーダパルス間の時間ギャップに、直交スプリングシーケンスを用いたパルス整形関数を介して埋め込む。
• システムモデルは残留自己干渉を考慮し、マッチドフィルタリングと信号対干渉＋ノイズ比（SINR）解析を用いて性能指標を導出する。
• 検出確率とアンビグアティ関数は、マッチドフィルタ出力と残留干渉電力に基づいて導出される。
• スペクトル効率は、パルス間インターバル中に伝送される通信信号のデータレートをモデル化することで評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルデュプレックス動作を活用することで、センシング性能を損なわずに単一受信型ISACシステムにおける通信レートをどのように向上できるか？
• RQ2 残留自己干渉が、提案FD-ISAC波形における検出確率とアンビグアティ関数に及ぼす影響は何か？
• RQ3 スペクトル効率とセンシング分解能の観点から、提案波形はレーダ中心型および通信中心型ISAC方式と比べてどのように異なるか？
• RQ4 提案方式は、従来のパルスレーダシステムに内在する日食効果および近距離ターゲットブラインドレンジ問題を効果的に緩和できるか？
• RQ5 現実的な自己干渉条件下で、提案FD-ISAC波形の検出確率と通信レートにおける性能向上はどの程度か？

主な発見

• レーダパルスインターバル中にフルデュプレックス伝送を実現するため、情報埋め込みを伴うレーダ中心型ハーフデュプレックス方式と比較して、提案FD-ISAC波形は顕著に高い通信スペクトル効率を達成する。
• LFM波形が優れた自己相関性と距離分解能特性を維持するため、本方式は優れたセンシング性能を維持する。
• 時間領域をフルに活用できるため、特に低SINR環境下で、ハーフデュプレックス方式と比較して検出確率が向上する。
• 提案波形のアンビグアティ関数は、従来のLFM波形とほぼ同一であり、センシング分解能に顕著な劣化がないことを示している。
• 数値結果から、自己干渉が効果的に抑制される場合には、提案方式がレーダ中心型および通信中心型のベンチマークを両方の観点で上回ることが示された。
• 継続的な送信とセンシングが可能であるため、本方式はパルスレーダシステムに一般的に見られる日食効果および近距離ターゲットブラインドレンジ問題を効果的に緩和する。