[논문 리뷰] Coverage and Rate of Joint Communication and Parameter Estimation in Wireless Networks

Nicholas R. Olson, Jeffrey G. Andrews외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 05.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 49인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파 대역 통신망에서 공동 통신 및 감지(JCAS)를 분석하기 위해 정보이론적 프레임워크를 제안하며, 상호정보량을 통해 감지 커버리지 확률과 에르고딕 비트 전송률을 정의한다. 스토하스틱 기하학을 사용하여 커버리지 및 전송률에 대한 해석 가능한 경계를 유도하며, 네트워크 밀도 증가가 감지 SIR(Signal-to-Interference Ratio)를 향상시킨다는 점을 드러낸다. 이는 기존의 통신 전용 시스템과는 다릅니다.

ABSTRACT

From an information theoretic perspective, joint communication and sensing (JCAS) represents a natural generalization of communication network functionality. However, it requires the re-evaluation of network performance from a multi-objective perspective. We develop a novel mathematical framework for characterizing the sensing and communication coverage probability and ergodic rate in JCAS networks. We employ a formulation of sensing parameter estimation based on mutual information to extend the notions of coverage probability and ergodic rate to the radar setting. We define sensing coverage probability as the probability that the rate of information extracted about the parameters of interest associated with a typical radar target exceeds some threshold, and sensing ergodic rate as the spatial average of the aforementioned rate of information. Using this framework, we analyze the downlink sensing and communication coverage and rate of a mmWave JCAS network employing a shared waveform, directional beamforming, and monostatic sensing. Leveraging tools from stochastic geometry, we derive upper and lower bounds for these quantities. We also develop several general technical results including: i) a generic method for obtaining closed form upper and lower bounds on the Laplace Transform of a shot noise process, ii) a new analog of H{ö}lder's Inequality to the setting of harmonic means, and iii) a relation between the Laplace and Mellin Transforms of a non-negative random variable. We use the derived bounds to numerically investigate the performance of JCAS networks under varying base station and blockage density. Among several insights, our numerical analysis indicates that network densification improves sensing SINR performance -- in contrast to communications.

연구 동기 및 목표

• 공동 통신 및 감지(JCAS) 네트워크에 대한 다목적 시각에서 체계적인 성능 분석의 부족을 해결하기 위해.
• 기존의 통신 지표인 커버리지 확률과 에르고딕 전송률을 정보이론을 통해 레이더 감지 영역으로 확장하기 위해.
• 목표 파rameter에 대한 정보 추출 속도를 상호정보량을 통해 정의함으로써 감지 성능을 모델링하고 정량화하기 위해.
• 공유 웨이브폼, 방향성 빔포밍, 단일 감지 방식을 갖춘 밀리미터파 대역 JCAS 네트워크에서 통신과 감지 간의 상호 교환 관계를 분석하기 위해.
• 스토하스틱 기하학과 새로운 분석 도구를 사용하여 감지 및 통신 커버리지 및 전송률에 대한 해석 가능한 수학적 경계를 도출하기 위해.

제안 방법

• 감지 커버리지 확률을 목표 파rameter에 대한 상호정보량 전송률이 임계값을 초과할 확률로 정의한다.
• 감지 에르고딕 전송률을 감지 대상과 그 파rameter 간의 상호정보량 전송률의 공간 평균으로 정의한다.
• 다운링크 밀리미터파 JCAS 네트워크에서 기지국 및 차단 물체 프로세스를 포아송 점 프로세스로 모델링하기 위해 스토하스틱 기하학을 적용한다.
• 일반적인 샷 노이즈 강도에 적용 가능한 일반적 방법을 사용하여 샷 노이즈 프로세스의 라플라스 변환에 대한 상한 및 하한 경계를 도출한다.
• 함수의 조화 평균의 L1 노름을 봉인하기 위해 허들러 부등식의 새로운 유사형을 제안한다.
• 비음수 랜덤 변수의 라플라스 변환과 멜린 변환 사이의 새로운 관계를 확립하여, 성능 분석을 위한 변환 역행렬 계산이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정보이론적 지표를 사용하여 상호정보량을 기반으로 커버리지 확률과 에르고딕 전송률을 JCAS 네트워크에서 통신에서 감지로 일반화할 수 있는가?
• RQ2 공유 밀리미터파 웨이브폼 시스템에서 통신과 감지 성능 간의 근본적 상호 교환 관계는 무엇인가?
• RQ3 네트워크 밀도 증가가 JCAS 네트워크에서 통신 SIR와 비교해 감지 SIR 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 간섭과 차단이 존재하는 상황에서 JCAS 네트워크의 커버리지 및 전송률 성능을 해석 가능한 경계로 제한하기 위해 필요한 분석 도구는 무엇인가?
• RQ5 스토하스틱 기하학과 정보이론을 사용하여 통신과 감지 성능을 통합적으로 정량화할 수 있는 통합 프레임워크를 개발할 수 있는가?

주요 결과

• 논문은 상호정보량을 기반으로 한 감지 커버리지 확률과 에르고딕 전송률을 정의하는 공식적 프레임워크를 수립하여 통신 지표와 직접 비교할 수 있도록 한다.
• 샷 노이즈 프로세스의 라플라스 변환에 대한 닫힌 형태의 상한 및 하한 경계를 도출하기 위한 일반적 방법이 제시되며, 이는 간섭 모델링에 핵심적이다.
• 임의의 랜덤 함수의 조화 평균의 L1 노름을 더 날카롭게 봉인하기 위해 허들러 부등식과 유사한 새로운 부등식이 개발된다.
• 비음수 랜덤 변수의 라플라스 변환과 멜린 변환 간의 근본적인 관계가 증명되어 멜린 역변환을 통해 라플라스 변환을 계산할 수 있도록 한다.
• 수치 결과는 기지국 밀도를 증가시킬수록 감지 SIR 성능이 향상됨을 보여주며, 이는 기존의 통신 전용 네트워크와는 반대되는 직관에 어긋나는 결과이다.
• 유도된 경계들이 블록화 및 기지국 밀도의 변화에 따라 다양한 밀리미터파 JCAS 배치에서 성능 평가에 매우 탄탄하고 유용함을 입증한다.