[논문 리뷰] Beamforming in Integrated Sensing and Communication Systems with Reconfigurable Intelligent Surfaces

R. S. Prasobh Sankar, Sundeep Prabhakar Chepuri외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 15.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 통합 센싱 및 통신(ISAC) 시스템을 위한 새로운 비례형 보상 및 재구성 가능한 지능형 표 superfice(RIS) 위상 시프트 설계를 제안한다. 하나의 RIS를 사용해 통신 향상을 달성하거나, 이중 RIS를 사용해 통신 및 레이더 성능을 동시에 최적화한다. 이 방법은 준정형계획법과 Dinkelbach 반복을 활용한 교대 최적화를 사용하여, 직접적인 라인오브사이트(LoS) 링크가 차단된 경우에도 사용자 공정성과 표적 조명에 있어 뚜렷한 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

We consider transmit beamforming and reflection pattern design in reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted integrated sensing and communication (ISAC) systems to jointly precode communication symbols and radar waveforms. We treat two settings of multiple users and targets. In the first, we use a single RIS to enhance the communication performance of the ISAC system and design beams with good cross-correlation properties to match a desired beam pattern while guaranteeing a desired signal-to-interference plus noise ratio (SINR) for each user. In the second setting, we use two dedicated RISs to aid the ISAC system, wherein the beams are designed to maximize the worst-case target illumination power while guaranteeing a desired SINR for each user. We propose solvers based on alternating optimization as the design problems in both cases are non-convex optimization problems. Through a number of numerical simulations, we demonstrate the advantages of RIS-assisted ISAC systems. In particular, we show that the proposed single-RIS assisted ISAC system improves the minimum user SINR while suffering from a moderate loss in radar target illumination power. On the other hand, the dual-RIS assisted ISAC system improves both minimum user SINR as well as worst-case target illumination power at the targets, especially when the users and targets are not directly visible.

연구 동기 및 목표

• mmWave 대역에서 경로 손실로 인해 사용자 또는 표적에 직접적인 라인오브사이트(LoS) 링크가 차단될 경우 발생하는 ISAC 시스템의 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 통신 공정성(SINR)과 레이더 표적 조명 전력의 이중 최적화를 위한 송신 비례형 보상 및 RIS 위상 시프트 설계를 위해.
• 두 가지 구성 방식을 탐색: 통신 향상을 위한 단일 RIS 또는 동시에 통신과 레이더 지원을 위한 전용 이중 RIS.
• 실제 하드웨어 제약 조건 하에 비볼록 최적화 솔버를 효율적으로 개발하기 위해.

제안 방법

• 비례형 보상과 RIS 위상 시프트 설계를 분리하기 위해 교대 최적화를 사용하여 각 하위 문제를 반복적으로 해결한다.
• 고정된 RIS 위상 시프트 조건 하에서, 비볼록 제약 조건을 처리하기 위해 준정형계획법(SDR)을 사용해 비례형 보상 설계를 해결한다. 이는 SINR과 비례형 패턴 매칭에 해당한다.
• 고정된 비례형 보상 조건 하에서, 공정성 SINR을 극대화하기 위해 일반화된 Dinkelbach 반복을 사용해 통신용 RIS 위상 시프트를 설계한다.
• 고정된 비례형 보상 조건 하에서, 준정형계획법을 사용한 후 가우시안 랜덤화를 적용해 레이더용 RIS 위상 시프트를 설계하여 최악의 경우 표적 조명 전력을 극대화한다.
• 두 단계 최적화를 수행한다: 먼저 고정된 RIS 시프트 조건 하에서 비례형 보상을 최적화하고, 그 다음 고정된 비례형 보상 조건 하에서 RIS 시프트를 최적화하며, 수렴할 때까지 반복한다.
• 단일 RIS(오직 통신용) 및 이중 RIS(전용 통신 및 레이더 RIS) 구성 모두를 고려하여 성능 트레이드오프를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접적인 라인오브사이트(LoS) 링크가 차단된 상황에서 단일 RIS를 사용해 ISAC 시스템의 사용자 공정성을 향상시키면서도 적절한 레이더 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ2 전용 이중 RIS(통신용 및 레이더용 각각 하나)를 사용하면 비라인오브사이트 조건에서 통신 SINR과 최악의 경우 표적 조명 전력 모두를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 수동으로 선택되거나 고정된 RIS 위상 시프트를 사용하는 기준 대비 제안된 비례형 보상 및 RIS 위상 시프트 설계의 성능은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 RIS 요소의 수와 비라인오브사이트 표적의 수가 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 SINR 요구 수준을 높일수록 통신 공정성과 레이더 조명 간의 트레이드오프는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 단일 RIS를 사용한 ISAC 시스템은 기준 대비 최소 사용자 SINR을 최대 12 dB 향상시키며, 최악의 경우 표적 조명 전력은 약 3 dB 손실만을 기록한다.
• 이중 RIS를 사용한 ISAC 시스템은 표적에 직접적인 시야가 없는 경우, 다음으로 성능이 좋은 기준 대비 최악의 경우 표적 조명 전력을 12 dB 이상 높인다.
• 모든 표적이 직접적으로 시야에 있는 경우(T_d = 5), 모든 방법이 유사한 성능를 보이지만, 제안된 방법 역시 약간의 성능 향상을 제공한다.
• RIS 요소의 수가 증가할수록, RIS의 어레이 게인 증가로 인해 공정성 SINR과 최악의 경우 표적 조명 전력이 모두 향상된다.
• 직접 경로가 사용자에게 차단된 상황에서도 제안된 방법은 최소 사용자 SINR을 5 dB 유지하여 비라인오브사이트 환경에서의 강건성을 입증한다.
• 이중 RIS 구성은 직접적인 라인오브사이트 링크가 차단된 경우에 특히 두각을 나타내며, 레이더와 통신을 위한 전용 비례형 보상 설계 덕분에 단일 RIS 및 수동 RIS 위상 선택 대비 뚜렷한 성능 향상을 이룬다.