[논문 리뷰] An IRS Backscatter Enabled Integrated Sensing, Communication and Computation System

Sai Xu, Yanan Du외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 20.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 지능형 반사 표면(IR) 백스캐터링을 활용한 무 RF 체인 상行 전송(RFCF-UT) 파aradigm을 제안하여 통합 감지, 통신, 계산(ISCC)을 가능하게 한다. IRS 요소를 동적 QR코드 유사 조절기로 간주함으로써, 전반적 이중성 기반국이 반사된 신호를 스캔하여 데이터를 추출함으로써, 사용자 장치에서 활성 RF 체인 없이도 높은 스펙트럼 효율을 달성한다. 시뮬레이션 결과는 기준 기법 대비 뛰어난 가중 처리량 용량(WTC)을 검증한다.

ABSTRACT

This paper proposes to leverage intelligent reflecting surface (IRS) backscatter to realize radio-frequency-chain-free uplink-transmissions (RFCF-UT). In this communication paradigm, IRS works as an information carrier, whose elements are capable of adjusting their amplitudes and phases to collaboratively portray an electromagnetic image like a dynamic quick response (QR) code, rather than a familiar reflection device, while a full-duplex base station (BS) is used as a scanner to collect and recognize the information on IRS. To elaborate it, an integrated sensing, communication and computation system as an example is presented, in which a dual-functional radar-communication BS simultaneously detects the target and collects the data from user equipments each connected to an IRS. Based on the established model, partial and binary data offloading strategies are respectively considered. By defining a performance metric named weighted throughput capacity (WTC), two maximization problems of WTC are formulated. According to the coupling degree of optimization variables in the objective function and the constraints, each optimization problem is firstly decomposed into two subproblems. Then, the methods of linear programming, fractional programming, integer programming and alternative optimization are developed to solve the subproblems. The simulation results demonstrate the achievable WTC of the considered system, thereby validating RFCF-UT.

연구 동기 및 목표

• IRS를 수동 정보 매개체로 활용하여 사용자 장치에서 RF 체인의 필요성을 제거한다.
• 이중기능 레이더-통신(DFRC) 기반국이 목표 탐지 및 IRS 백스캐터링을 통한 데이터 수집을 동시에 지원하는 통합 감지, 통신, 계산(ISCC) 시스템을 설계한다.
• 에너지 및 하드웨어 제약 조건 하에서 빔포밍과 데이터 오프로딩 전략의 공동 최적화를 통해 시스템 성능을 최적화한다.
• 가중 처리량 용량(WTC) 측면에서 활성 안테나 솔루션 대비 IRS 백스캐터링의 타당성과 우수성을 검증한다.

제안 방법

• IRS 요소가 조절 가능한 진폭 및 위상 이동을 통해 데이터를 변조하는 방식으로, 동적 QR코드 유사 조절기로 기능하는 새로운 통신 파라다임—무 RF 체인 상행 전송(RFCF-UT)—를 제안한다.
• 전반적 이중성 DFRC 기반국이 신호를 송신하고 동시에 IRS에 의해 변조된 에코를 수신함으로써, 동시에 감지 및 데이터 수집을 가능하게 한다.
• 부분적 및 이진적 데이터 오프로딩 전략을 고려한 ISCC 시스템 모델링을 수행하고, 결합된 최적화 변수 하에 두 개의 WTC 최대화 문제를 수립한다.
• 선형계획법(LP), 분수계획법(FP), 정수계획법(IP), 교차 최적화(AO)를 융합한 하이브리드 최적화 프레임워크를 개발하여 하위 문제를 해결한다.
• 연속 빔포밍을 근사하기 위해 IRS에서 이산 수동 빔포밍을 도입함으로써 하드웨어 복잡성을 감소시키면서도 성능 유지를 달성한다.
• 통신, 감지, 계산 이득을 균형 있게 고려하기 위해 가중 처리량 용량(WTC)을 핵심 성능 지표로 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 백스캐터링은 사용자 장치에서 활성 RF 체인을 효과적으로 대체하여 무 RF 체인 상행 전송을 가능하게 하는가?
• RQ2 IRS 백스캐터링을 통한 감지, 통신, 계산의 통합은 시스템 스펙트럼 효율성과 처리량 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 빔포밍, 데이터 오프로딩, 빔 선택의 공동 최적화는 MRT나 반사 빔포밍과 같은 단순화된 기법 대비 어떤 성능 향상을 가져오는가?
• RQ4 이산 수동 빔포밍이 WTC 성능 측면에서 연속 빔포밍을 어느 정도 근사하는가?
• RQ5 IRS 요소 수, 송신 전력, 기반국 안테나 수와 같은 시스템 파라미터는 달성 가능한 WTC에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 공동 최적화 기법은 MRT, Discrete4, Discrete8, 반사 빔포밍 기법보다 가장 높은 가중 처리량 용량(WTC)을 달성한다.
• 동일한 송신 전력 조건에서 활성 안테나(예: Antenna4, Antenna8)와 비교해도 IRS 백스캐터링이 유사하거나 우수한 WTC를 확보함으로써, 저비용 수동 대체 수단으로의 타당성을 입증한다.
• IRS 요소 수 증가로 인해 Joint, MRT, Discrete4, Discrete8 기법의 WTC가 향상되며, 이는 공간 다중접속성 향상과 수신 전력 증가 덕분이다. 반면 반사 빔포밍은 등가 전력 할당으로 인해 정점에 도달한 후 감소한다.
• 기반국의 송신 전력 증가로 모든 기법에서 WTC가 증가함을 확인하여, 시스템의 전력 확장성(스케일러빌리티)을 입증한다.
• 기반국의 송신 안테나 수 증가로 Joint, MRT, Discrete4, Discrete8 기법의 WTC가 크게 향상되나, 반사 및 안테나 기반 기법에는 거의 영향을 주지 않음으로써, 공간 자유도가 성능 향상의 핵심 요소임을 시사한다.
• 부분적 오프로딩은 이진 오프로딩보다 항상 높은 WTC를 달성한다. 이는 자원 할당의灵活性를 허용하기 때문이며, 반면 이진 오프로딩은 모든 사용자를 한 가지 모드(로컬 또는 오프로드)로 강제함으로써 자원 할당의 제약이 있다.