[논문 리뷰] Drone Surveillance via Coordinated Beam Sweeping in MIMO-ISAC Networks

Palatip Jopanya, Diana P. M. Osorio외 1명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 13.

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한 줄 요약

이 논문은 표준 SSB 신호를 사용한 5G ISAC 프레임워크에서 조정된 sensing 빔을 통해 다중정태 AP 간 협력으로 3D 복셀 격자에서 저고도 드론을 탐지하고, UE SINR를 보장하며 직링크 간섭을 억제합니다.

ABSTRACT

This paper introduces a scheme for drone surveillance coordinated with the fifth generation (5G) synchronization signal block (SSB) cell-search procedure to simultaneously detect low-altitude drones within a volumetric surveillance grid. Herein, we consider a multistatic configuration where multiple access points (APs) collaboratively illuminate the volume while independently transmitting SSB broadcast signals. Both tasks are performed through a beam sweeping. In the proposed scheme, coordinated APs send sensing beams toward a grid of voxels within the volumetric surveillance region simultaneously with the 5G SSB burst. To prevent interference between communication and sensing signals, we propose a precoder design that guarantees orthogonality of the sensing beam and the SSB in order to maximize the sensing signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) while ensuring a specified SINR for users, as well as minimizing the impact of the direct link. The results demonstrate that the proposed precoder outperforms the non-coordinated precoder and is minimally affected by variations in drone altitude.

연구 동기 및 목표

• 표준 SSB 신호를 사용한 5G ISAC 프레임워크 내에서 드론 탐지의 동기를 제시합니다.
• SSB 전송과 공존하면서 3D 복셀 격정을 비추는 sensing 빔포밍 방식을 개발합니다.
• 직링크 및 UE에 대한 간섭을 억제하고 sensing SINR을 최대화하는 프리코더를 설계합니다.
• 감시 영역에서 다수의 조명기와 단일 sensing 수신기를 제공하기 위해 다중정태 AP 협력을 가능하게합니다.

제안 방법

• 육각형 배치의 AP와 sensing 수신기를 갖춘 다중정태 MIMO-ISAC 네트워크를 모델링합니다.
• 5G NR SSB 빔과 함께 전송되고 복셀 격자를 가로질러 스윕되는 전용 sensing 신호를 도입합니다.
• AP별 전력, SSB 직교성, UE SINR 제약을 고려하여 평균 sensing SINR을 최대화하는 DL-마스크 프리코더 설계를 수립합니다.
• 비볼록 프리코더 최적화를 해결하기 위해 준정적 완화를 사용하고 실용 프리코너를 위한 지배 고유벡터를 추출합니다.
• 직링크 억제 및 타깃/지상 잔향을 포함한 감지 및 지저분한 신호 모델을 하나의 수신 신호 표현으로 정의합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 sensing을 5G NR SSB 프레임워크에 내재시키되 사용자 SINR를 저하시키지 않는 방법은 무엇인가?
• RQ2 sensing과 통신 신호를 직교화하면서 3D 감시 영역을 조명하는 다중 빔 설계는 무엇인가?
• RQ3 DL 억제가 드론 고도 및 전송 전력 수준에 따라 sensing 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 DL-마스크 협력 sensing 스킴에서 드론 타깃에 대한 탐지 성능(ROC, PD/FA)은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 협력 프리코더는 비교 가능한 조건 하에서 비협력 프리코더에 비해 평균 sensing SINR을 약 20 dB 더 높게 달성합니다.
• 사용자 SINR 제약이 충족되면 최대 전송 전력과 함께 sensing SINR이 선형으로 증가합니다.
• DL-마스크 구성은 드론 고도에 따른 sensing 성능 변화를 최소화하는 반면, 비-DL-마스크의 경우 SINR이 포화됩니다.
• 전송 전력이 20 dBm에서 30 dBm으로 증가할 때 고정된 FAl(T=2e-5)에서 탐지 성능은 높은 PD(약 0.9~0.97)를 보이며, 20에서 25 dBm으로 이동할 때 상당한 이점을 보입니다.