[논문 리뷰] A Shared Cluster-based Stochastic Channel Model for Integrated Sensing and Communication Systems

Yameng Liu, Jianhua Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 12.

Indoor and Outdoor Localization Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 공동 통신 및 감지(JCAS) 시스템을 위한 공유 클러스터 기반의 스토하스틱 채널 모델을 제안한다. 통신 및 감지 채널을 공유 클러스터와 비공유 클러스터를 중첩시켜 실세계 하드웨어 및 전파 자원 공유를 반영하여 함께 생성한다. 모델은 28 GHz 측정 및 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 현실적인 클러스터링 특성과 제어 가능한 공유도(SD: 0.54–0.65)를 보여주었고, 새로운 KPM-JCA 클러스터링 알고리즘을 통해 공유 산란체를 정확히 추출할 수 있었다.

ABSTRACT

Integrated Sensing And Communication (ISAC) has been recognized as a promising technology in the 6G communication. A realistic channel model is a prerequisite for designing ISAC systems. Most existing channel models independently generate the communication and sensing channels under the same framework. However, due to the multiplexing of hardware resources and the same environment, signals enabled for communication and sensing may experience shared propagation scatterers. This practical sharing feature necessities the joint generation of communication and sensing channels for realistic modeling, where the shared clusters (contributed by the shared scatterers) should be reconstructed.In this paper, we first conduct communication and sensing channel measurements for an indoor scenario at 28 GHz. The power-angular-delay profiles of multipath components are obtained, and the shared scatterers by communication and sensing channels are intuitively observed. Then, a stochastic ISAC channel model is proposed to capture the sharing feature, where shared and non-shared clusters by the two channels are dfined and superimposed. To extract those clusters from measured ISAC channels, a KPowerMeans-based joint clustering algorithm is novelly introduced. Finally, stochastic channel characteristics are analyzed, and empirical simulations validate that the channel Sharing Degree (SD) increases with more shared clusters. The proposed model can realistically capture the sharing feature of ISAC channels and is able to evaluate and simulate the channel SD values, which is valuable for the design and deployment of ISAC systems.

연구 동기 및 목표

• 통신 및 감지 간 공유되는 전파 산란체를 고려하지 않은 현실적인 JCAS 채널 모델의 부족을 보완하기 위해.
• 공통 산란체에서 유도된 공유 클러스터를 통합하여 통신 및 감지 채널의 공동 생성을 모델링하기 위해.
• 측정된 JCAS 채널에서 공유 및 비공유 클러스터를 추출할 수 있는 클러스터링 알고리즘 개발을 위해.
• 실세계 28 GHz 측정 및 실증 시뮬레이션을 통해 모델의 실용성과 제어 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 홀로니우스 안테나를 회전시켜 LOS 및 NLOS 환경에서 28 GHz 실내 채널 측정 캠프를 수행하여 통신 및 감지 다중경로 성분(MPCs)을 캡처하였다.
• 전력-각도-지연 프로파일(PADPs)을 분석하여 통신 및 감지 채널 간의 공유 산란체를 시각적으로 식별하였다.
• 공유 클러스터와 비공유 클러스터를 중첩시켜 구성된 스토하스틱 JCAS 채널 모델을 제안하였으며, 공유 클러스터는 공통 산란체를 나타낸다.
• 통합된 통신 및 감지 채널에서 공유 및 비공유 클러스터를 동시에 추출할 수 있는 새로운 KPowerMeans 기반의 공동 클러스터링 알고리즘(KPM-JCA)을 도입하였다.
• 측정된 클러스터링 결과에서 유도된 클러스터 간 각도 분산(AS), 지연 분산(DS), 공유도(SD)를 사용하여 모델을 파rameter화 하였다.
• 공유 클러스터 수(N₀)를 제어하여 실측 SD 값과 일치시키고 각도 분포 유사도를 평가함으로써 시뮬레이션을 통해 모델을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공동 측정된 통신 및 감지 채널의 전력-각도-지연 프로파일에서 공유 산란체는 어떻게 나타나는가?
• RQ2 28 GHz 주파수에서 실내 환경에서 통신 및 감지 채널 간 공통 전파 클러스터를 얼마나 공유하는가?
• RQ3 공유 및 비공유 클러스터 중첩을 통해 통신 및 감지 신호의 공동 클러스터링 행동을 효과적으로 포괄할 수 있는 스토하스틱 JCAS 채널 모델이 가능한가?
• RQ4 공동 클러스터링 알고리즘이 통합된 통신 및 감지 채널 데이터에서 공유 및 비공유 클러스터를 어떻게 추출할 수 있는가?
• RQ5 측정에서 관찰된 현실적인 공유도(SD)를 재현하기 위해 모델의 파rameter를 얼마나 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 측정 캠프에서 LOS 및 NLOS 환경 모두에서 공유 산란체를 확인하였으며, 공유 MPC는 지연 도메인보다 각도 도메인에서 더 강한 클러스터링을 보였다.
• 공유 클러스터의 공유도(SD)는 두 개의 LOS 측정에서 각각 0.65 및 0.64로 측정되었고, 하나의 NLOS 측정에서는 0.54로 측정되었다.
• 시뮬레이션 결과 공유 클러스터 수(N₀)를 증가시킬수록 SD가 증가하는 것으로 확인되었으며, N₀ = 10일 경우 평균 SD가 0.66으로 실측 값과 매우 유사하였다.
• 통신 채널 클러스터는 각도 분포에서 더 농축되고 흐물한 편이었고, 감지 클러스터는 더 이산적으로 분포하였다.
• KPM-JCA 알고리즘이 공유 및 비공유 클러스터를 성공적으로 추출하여 통신 및 감지 채널의 정확한 공동 모델링을 가능하게 하였다.
• 모델은 실용성과 제어 가능성을 입증하였으며, N₀를 조절하여 실측 SD 값을 재현함으로써 현실적인 채널 특성을 재현할 수 있었다.