[논문 리뷰] A Novel ISAC Transmission Framework based on Spatially-Spread Orthogonal Time Frequency Space Modulation

Shuangyang Li, Weijie Yuan외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 01.

PAPR reduction in OFDM인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 공간적으로 분산된 직교 시간주파수공간(스-OTFS) 변조를 사용한 새로운 통합 센싱 및 통신(ISAC) 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 공간 분산을 통한 각도 도메인 이산화를 활용하여 레이더 센싱과 통신을 동시에 수행할 수 있도록 한다. 이 프레임워크는 레이더의 저복잡도 비트 추적, 각도 추정 및 전력 할당을 가능하게 하며, 통신을 위한 심볼 단위 예비처리를 레이더에서 추정한 지연, 도플러 및 각도 정보만을 사용하여 수행할 수 있다. 성능 분석 결과 실용적으로 전력 할당을 레이더 센싱 측면에 기울여야 한다고 나타났다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel integrated sensing and communication (ISAC) transmission framework based on the spatially-spread orthogonal time frequency space (SS-OTFS) modulation by considering the fact that communication channel strengths cannot be directly obtained from radar sensing. We first propose the concept of SS-OTFS modulation, where the key novelty is the angular domain discretization enabled by the spatial-spreading/de-spreading. This discretization gives rise to simple and insightful effective models for both radar sensing and communication, which result in simplified designs for the related estimation and detection problems. In particular, we design simple beam tracking, angle estimation, and power allocation schemes for radar sensing, by utilizing the special structure of the effective radar sensing matrix. Meanwhile, we provide a detailed analysis on the pair-wise error probability (PEP) for communication, which unveils the key conditions for both precoding and power allocation designs. Based on those conditions, we design a symbol-wise precoding scheme for communication based only on the delay, Doppler, and angle estimates from radar sensing, without the a priori knowledge of the communication channel fading coefficients, and also introduce the power allocation for communication. Furthermore, we notice that radar sensing and communication requires different power allocations. Therefore, we discuss the performances of both the radar sensing and communication with different power allocations and show that the power allocation should be designed leaning towards radar sensing in practical scenarios. The effectiveness of the proposed ISAC transmission framework is verified by our numerical results, which also agree with our analysis and discussions.

연구 동기 및 목표

• mmWave 대역에서 레이더 및 통신 시스템 간의 스펙트럼 혼잡과 공존 문제를 해결하기 위해.
• 레이더 센싱과 통신 간의 공유 채널 특성을 활용하여 통합 웨이브폼 설계를 수행하기 위해.
• SS-OTFS 변조를 사용한 저복잡도이면서 효과적인 ISAC 전송 프레임워크를 개발하기 위해.
• 채널 감쇠에 대한 사전 지식 없이도 레이더 추정 파rameter(지연, 도플러, 각도)만을 사용하여 통신 예비처리를 가능하게 하기 위해.
• 레이더와 통신에 대한 전력 할당을 최적화하여, 레이더 중심의 할당이 전체 성능을 향상시킨다는 것을 보여주기 위해.

제안 방법

• 공간 분산 및 복원을 통한 각도 도메인 이산화를 통해 공간적으로 분산된 OTFS(SS-OTFS) 변조를 도입한다.
• 구조화된 SS-OTFS 프레임워크를 기반으로 레이더 센싱 및 통신에 대한 효과적 모델을 유도한다.
• 효과적 레이더 센싱 행렬 구조에 기반한 저복잡도 비트 추적 및 각도 추정 기법을 설계한다.
• 채널 상태 정보(CSI) 지식이 필요 없이 레이더에서 추정한 지연, 도플러 및 각도 정보만을 사용하여 심볼 단위 예비처리 기법을 개발한다.
• 쌍별 오류 확률(PEP) 분석 및 설계 조건에 기반한 통신을 위한 전력 할당 전략을 제안한다.
• 다양한 전력 할당 조건에서 레이더 및 통신의 성능을 비교하는 성능 분석을 수행하여, 레이더 최적화 할당이 더 우수한 결과를 낸다는 것을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SS-OTFS에서 공간 분산을 통한 각도 도메인 이산화가 통합 레이더 및 통신 시스템 설계를 단순화할 수 있는가?
• RQ2 레이더 추정 파rameter(지연, 도플러, 각도)를 어떻게 활용하여 CSI가 없이도 효과적인 통신 예비처리를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 제안된 ISAC 프레임워크에서 예비처리 및 전력 할당의 핵심 설계 조건은 무엇인가?
• RQ4 전력 할당은 레이더 센싱과 통신 간의 성능 트레이드오프에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 실용적인 ISAC 시스템에서 레이더 센싱에 더 많은 전력을 할당할 경우 성능 이점이 있는가?

주요 결과

• SS-OTFS 프레임워크는 각도 도메인 이산화를 활용하여 효과적인 통합 레이더 및 통신을 가능하게 하며, 추정 및 검출 문제를 단순화한다.
• 효과적 레이더 센싱 행렬 구조는 전체 CSI가 필요 없이 저복잡도 비트 추적 및 각도 추정을 가능하게 한다.
• 레이더에서 추정한 지연, 도플러 및 각도 정보만을 사용하여 통신 예비처리를 성공적으로 설계하였으며, 감쇠 계수에 대한 사전 지식이 필요 없어졌다.
• 쌍별 오류 확률(PEP) 분석을 통해 통신 링크의 예비처리 및 전력 할당에 대한 핵심 설계 조건을 규명하였다.
• 수치적 결과는 전력 할당을 레이더 센싱 측면에 기울여야 전체 시스템 성능을 최대화할 수 있음을 확인하였다.
• 제안된 프레임워크는 높은 센싱 및 통신 성능을 달성하였으며, 이는 이론적 분석 및 유도 결과와 일치한다.