[논문 리뷰] Enabling Joint Communication and Radio Sensing in Mobile Networks -- A Survey

Lushanur Rahman, J. Andrew Zhang외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 13.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 203인용 수 46

한 줄 요약

이 논문은 기존 인프라를 활용하여 광범위한 환경 감지 기능을 제공하는 통합 통신 및 레이더 감지(이하 JCAS)를 모바일 네트워크에 통합한 인지형 모바일 네트워크(PMN)를 제안한다. 최근 JCAS 시스템의 발전을 조사하고, 감지 기능과 신호 활용 방식을 포함한 PMN 프레임워크를 제시하며, 여덟 가지 기술 주제에 걸쳐 핵심 연구 과제와 해결책을 규명한다.

ABSTRACT

Mobile network is evolving from a communication-only network towards the one with joint communication and radio/radar sensing (JCAS) capabilities, that we call perceptive mobile network (PMN). Radio sensing here refers to information retrieval from received mobile signals for objects of interest in the environment surrounding the radio transceivers. In this paper, we provide a comprehensive survey for systems and technologies that enable JCAS in PMN, with a focus on works in the last ten years. Starting with reviewing the work on coexisting communication and radar systems, we highlight their limits on addressing the interference problem, and then introduce the JCAS technology. We then set up JCAS in the mobile network context, and envisage its potential applications. We continue to provide a brief review for three types of JCAS systems, with particular attention to their differences on the design philosophy. We then introduce a framework of PMN, including the system platform and infrastructure, three types of sensing operations, and signals usable for sensing, and discuss required system modifications to enable sensing on current communication-only infrastructure. Within the context of PMN, we review stimulating research problems and potential solutions, organized under eight topics: mutual information, waveform optimization, antenna array design, clutter suppression, sensing parameter estimation, pattern analysis, networked sensing under cellular topology, and sensing-assisted secure communication. This paper provides a comprehensive picture for the motivation, methodology, challenges, and research opportunities of realizing PMN. The PMN is expected to provide a ubiquitous radio sensing platform and enable a vast number of novel smart applications.

연구 동기 및 목표

• 기존 통신 및 레이더 시스템 간의 공존 문제를 해결하기 위해 모바일 네트워크 내에서 통합 통신 및 무선 감지(JCAS)를 위한 통합 프레임워크를 제안하는 것.
• 기존 통신 인프라를 활용하여 광범위한 무선 감지 플랫폼으로서의 인지형 모바일 네트워크(PMN)를 구축하는 것.
• 현재 모바일 네트워크 아키텍처에 감지 기능을 구현하기 위해 발생하는 핵심 기술 과제를 규명하고 분석하는 것.
• JCAS의 열린 연구 과제를 상호정보량, 웨이브폼 최적화, 안테나 어레이 설계, 잡음 제거, 감지 파rameter 추정, 패턴 분석, 셀룰러 구조에서의 네트워크 기반 감지, 감지 지원 보안 통신을 포함한 여덟 가지 주제로 체계화하는 것.
• PMN가 가능하게 하는 감지 지원 보안 통신 및 기타 신개념 응용 분야의 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• 최근 10년간의 공존 통신 및 레이더 시스템 관련 연구를 조사하여 간섭 제한 사항을 파악하고, JCAS 기술로의 전환을 모색하는 것.
• 네트워크 플랫폼, 현지 감지, 협동 감지, 네트워크 기반 감지의 세 가지 감지 운영 방식, 그리고 감지에 활용 가능한 신호를 포함한 PMN 시스템 프레임워크를 제안하는 것.
• 기존 통신 전용 인프라에 감지 기능을 통합하기 위해 필요한 시스템 수정 사항을 분석하며, 주로 신호 설계 및 하드웨어 호환성에 중점을 두는 것.
• 디자인 철학에 따라 JCAS 시스템을 세 가지 유형으로 분류하고, 신호 및 자원 관리 측면에서의 차이점을 분석하는 것: 공통 설계, 공존, 재사용.
• 여덟 가지 핵심 주제에 걸쳐 연구 과제를 체계화하는 분류 체계를 도입: 상호정보량, 웨이브폼 최적화, 안테나 어레이 설계, 잡음 제거, 감지 파ram터 추정, 패턴 분석, 셀룰러 구조에서의 네트워크 기반 감지, 감지 지원 보안 통신.
• 신호 처리, 정보 이론, 네트워크 아키텍처 원칙에 기반한 각 연구 주제에 대한 기술적 통찰과 잠재적 해결책을 제시하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 모바일 네트워크 인프라에 통합 통신 및 무선 감지 기능을 통합할 때 통신 성능을 저해하지 않으면서도 효율적으로 구현할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 JCAS 시스템에서 통신 속도와 감지 정확도 사이의 근본적 트레이드오프는 무엇이며, 이를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 이동 환경에서 잡음과 간섭을 효과적으로 억제하여 통신 신호를 활용한 신뢰성 있는 감지 기능을 실현하기 위한 방법은 무엇인가?
• RQ4 고해상도 감지와 신뢰성 있는 통신을 동시에 달성하기 위한 최적의 웨이브폼 및 어레이 설계 전략은 무엇인가?
• RQ5 셀룰러 구조에서의 네트워크 기반 감지는 낮은 지연과 높은 확장성을 유지하면서 공간적 커버리지와 정확도를 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• PMN 프레임워크는 기존 통신 신호와 인프라의 재사용을 통해 광범위한 무선 감지 플랫폼을 실현하며, 도입 비용과 복잡성을 감소시킨다.
• 신호 재사용 및 공통 설계 기반의 JCAS 시스템은 기존 공존 기반 접근 방식에 비해 더 높은 스펙트럼 효율성과 낮은 간섭을 제공한다.
• 밀도가 높은 모바일 환경에서 고해상도 감지와 신뢰성 있는 통신을 달성하기 위해 안테나 어레이 설계와 웨이브폼 최적화가 핵심이다.
• 잡음 억제 기법은 도시 및 실내 환경에서 다중 경로와 정적 산란체의 영향을 줄여 감지 정확도를 크게 향상시킨다.
• 감지 지원 보안 통신은 환경 감지 및 채널 상태 모니터링를 통해 도청자를 탐지함으로써 물리 계층 보안을 강화할 수 있다.
• 셀룰러 구조에서의 네트워크 기반 감지는 분산 신호 처리와 데이터 융합을 통해 협동 감지 이득을 얻고, 목표 탐지 성능을 향상시킬 수 있다.