[논문 리뷰] Full-Duplex Communication for ISAC: Joint Beamforming and Power Optimization

Zhenyao He, Wei Xu외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 01.

Radar Systems and Signal Processing인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 레이더 감지와 업링크/다운링크 통신이 동일한 시간 및 주파수 자원에서 동시에 작동하는 풀디플렉스(FD) 통합 감지 및 통신(ISAC) 시스템을 제안한다. 다운링크 빔포밍, 업링크 사용자 전송 전력, 수신 빔포밍기를 공동으로 최적화함으로써, 히프디플렉스 ISAC에 비해 스펙트럼 효율성과 전력 효율성에서 뚜렷한 향상을 달성하며, 전력 최소화 및 합계 데이터율 최대화 문제에 대해 해석형 해와 반복 알고리즘을 제공한다.

ABSTRACT

Beamforming design has been widely investigated for integrated sensing and communication (ISAC) systems with full-duplex (FD) sensing and half-duplex (HD) communication. To achieve higher spectral efficiency, in this paper, we extend existing ISAC beamforming design by considering the FD capability for both radar and communication. Specifically, we consider an ISAC system, where the BS performs target detection and communicates with multiple downlink users and uplink users reusing the same time and frequency resources. We jointly optimize the downlink dual-functional transmit signal and the uplink receive beamformers at the BS and the transmit power at the uplink users. The problems are formulated under two criteria: power consumption minimization and sum rate maximization. The downlink and uplink transmissions are tightly coupled due to both the desired target echo and the undesired interference received at the BS, making the problems challenging. To handle these issues in both cases, we first determine the optimal receive beamformers, which are derived in closed forms with respect to the BS transmit beamforming and the user transmit power, for radar target detection and uplink communications, respectively. Subsequently, we invoke these results to obtain equivalent optimization problems and propose efficient iterative algorithms to solve them by using the techniques of rank relaxation and successive convex approximation (SCA), where the adopted relaxation is proven to be tight. In addition, we consider a special case under the power minimization criterion and propose an alternative low complexity design. Numerical results demonstrate that the optimized FD communication-based ISAC brings tremendous improvements in terms of both power efficiency and spectral efficiency compared to the conventional ISAC with HD communication.

연구 동기 및 목표

• IoT 및 스마트 팩토리와 같은 미래의 무선 네트워크에서 더 높은 스펙트럼 및 에너지 효율성의 필요성을 충족하기 위해 감지 및 통신을 통합함으로써.
• 기존의 히프디플렉스(ISAC) 시스템의 한계를 극복하기 위해, 통신 또는 감지 중 하나만 풀디플렉스 모드에서 작동하는 시스템에서 비롯된다.
• 공유된 시간 및 주파수 자원을 사용하여 레이더 감지 및 업링크/다운링크 통신을 동시에 풀디플렉스 방식으로 운영할 수 있도록 하기 위해.
• 전송 전력 최소화 및 합계 데이터율 최대화 두 가지 기준에 따라 공동 최적화 문제를 수립하고 해결하기 위해.
• 간섭을 관리하고 성능을 향상시키기 위해 다운링크 전송 빔포밍, 업링크 사용자 전력, 수신 빔포밍기를 공동으로 최적화하는 시스템 설계하기.

제안 방법

• 기지국(BS)이 다운링크 통신과 레이더 감지를 위한 이중기능 신호를 전송하고, 동시에 업링크 통신과 레이더 에코를 수신하는 ISAC 시스템을 수립한다.
• 전송 빔포밍 및 사용자 전력에 대한 함수로서 최적의 업링크 수신 빔포밍기 및 다운링크 수신 빔포밍기의 해석형 표현을 유도한다.
• 이차형 원형 프로그래밍(SOCP)으로의 변환을 위해 이차형 원형 완화 및 변수 치환을 사용하여 원래의 비볼록 최적화 문제를 변형한다.
• 풀디플렉스 작동 조건 하에서 전력 최소화 및 합계 데이터율 최대화 문제를 해결하기 위한 반복 알고리즘을 제안한다.
• 최적의 빔포밍기의 구조를 활용하여 전력 최소화 특수 케이스에 대한 저복잡도 설계를 제안한다.
• 성능 비교를 위해 시간분할이중성(TDD) 기준 시스템을 사용하며, 히프디플렉스 작동 조건 하에서 다운링크 및 업링크 모드에 대한 최적화 문제를 수립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 풀디플렉스 작동을 ISAC 시스템에 효과적으로 통합하여 동시에 업링크 통신, 다운링크 통신, 레이더 감지를 지원할 수 있는가?
• RQ2 통신 및 감지에 대한 SINR 제약 조건을 만족하면서 총 전송 전력을 최소화하는 최적의 공동 빔포밍 및 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 제안된 공동 최적화는 기존의 히프디플렉스 ISAC 시스템에 비해 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 풀디플렉스 작동 조건 하에서 수신 빔포밍기의 해석형 해를 유도할 수 있는가? 그리고 이러한 해는 최적화 과정을 어떻게 단순화하는가?
• RQ5 ISAC 시스템에서 풀디플렉스 통신을 활성화할 경우, 합계 데이터율 및 전력 효율성 측면에서 달성 가능한 성능 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 수치 결과를 통해 제안된 풀디플렉스 ISAC 시스템이 히프디플렉스 ISAC에 비해 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에서 뚜렷한 향상을 달성함을 입증하였다.
• SOCP 재구성 기반 반복 알고리즘이 전력 최소화 및 합계 데이터율 최대화 문제 모두에 대해 최적의 해에 수렴함을 확인하였다.
• 최적의 업링크 및 다운링크 수신 빔포밍기의 해석형 표현을 도출하여 계산 복잡도를 크게 감소시켰다.
• 전력 최소화 케이스에 대한 저복잡도 설계가 낮은 계산 부하로 근사 최적 성능을 달성하였다.
• 수치 결과는 FD ISAC 시스템이 TDD 기준 시스템에 비해 평균 전력 소비와 구현 가능한 합계 데이터율 측면에서 뛰어난 성능을 보임을 보여주었다.
• 통신 사용자 및 레이더 타겟에 대해 요구되는 SINR 수준을 유지함으로써 간섭 제약 조건 하에서도 안정성을 확보함을 확인하였다.