[논문 리뷰] Integrated Sensing and Communications: Towards Dual-functional Wireless Networks for 6G and Beyond

Fan Liu, Yuanhao Cui외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 16.

Indoor and Outdoor Localization Technologies인용 수 62

한 줄 요약

이 논문은 통합 센싱 및 커뮤니케이션(ISAC)의 역사, 아키텍처, 성능 트레이드오프, 파형/수신기 설계, 이중 기능 무선 네트워크를 가능하게 하는 네트워크 수준의 상호 지원에 대한 포괄적 개요를 제공합니다.

ABSTRACT

As the standardization of 5G is being solidified, researchers are speculating what 6G will be. Integrating sensing functionality is emerging as a key feature of the 6G Radio Access Network (RAN), allowing to exploit the dense cell infrastructure of 5G for constructing a perceptive network. In this paper, we provide a comprehensive overview on the background, range of key applications and state-of-the-art approaches of Integrated Sensing and Communications (ISAC). We commence by discussing the interplay between sensing and communications (S&C) from a historical point of view, and then consider multiple facets of ISAC and its performance gains. By introducing both ongoing and potential use cases, we shed light on industrial progress and standardization activities related to ISAC. We analyze a number of performance tradeoffs between S&C, spanning from information theoretical limits, tradeoffs in physical layer performance, to the tradeoff in cross-layer designs. Next, we discuss signal processing aspects of ISAC, namely ISAC waveform design and receive signal processing. As a step further, we provide our vision on the deeper integration between S&C within the framework of perceptive networks, where the two functionalities are expected to mutually assist each other, i.e., communication-assisted sensing and sensing-assisted communications. Finally, we summarize the paper by identifying the potential integration between ISAC and other emerging communication technologies, and their positive impact on the future of wireless networks.

연구 동기 및 목표

• 다음 세대 네트워크를 위한 센싱과 커뮤니케이션의 통합으로 ISAC 패러다임을 동기부여한다.
• ISAC와 관련된 주요 응용, 산업 발전 및 표준화 활동을 정리한다.
• 센싱과 커뮤니케이션 성능 간의 근본적이고 교차 계층적인 트레이드오프를 분석한다.
• ISAC 파형 설계 및 수신 처리 등을 포함한 신호처리 측면을 논의한다.
• 센싱과 커뮤니케이션이 서로를 보완하는 지각 네트워크에 대한 비전을 제시한다.

제안 방법

• ISAC를 향한 레이더와 통신의 역사적 발전과 수렴을 조사한다.
• ISAC 아키텍처를 센싱 중심 디자인과 커뮤니케이션 중심 디자인으로 분류하고 트레이드오프를 논의한다.
• ISAC를 위한 정보이론적 및 PHY 계층 성능 트레이드오프를 요약한다.
• ISAC 파형 설계 및 수신처리 접근법을 리뷰한다.
• 지각 네트워크의 개념과 S&C 간의 교차 계층 상호 지원을 도입한다.
• 산업적 발전, 활용 사례 및 신흥 기술과의 잠재적 통합을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ISAC 시스템에서 센싱과 커뮤니케이션 간의 근본적인 성능 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ2 이중 기능을 지원하기 위해 파형 설계와 수신 처리을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 6G를 위한 ISAC 개발을 형성하는 산업용 응용 및 표준화 노력이 무엇인가?
• RQ4 지각 네트워크 내에서 센싱 보조 커뮤니케이션과 커뮤니케이션 보조 센싱은 어떻게 구현될 수 있는가?
• RQ5 ISAC가 Beyond-5G/6G 아키텍처 및 관련 기술에 미칠 잠재적 영향은 무엇인가?

주요 결과

• ISAC는 이중 목적을 위해 무선 자원을 공유함으로써 통합 및 조정 이점을 달성할 수 있다.
• 센싱과 커뮤니케이션이 유사한 하드웨어, 채널 및 신호처리를 활용하는 수렴 추세가 있으며, 특히 대형 어레이를 가진 mmWave에서 두드러진다.
• 하이브리드 아날로그-디지털(HAD) 아키텍처는 ISAC 프런트엔드를 지원하는 확장 가능한 mMIMO/mMIMO 레이더를 가능하게 한다.
• 센싱 보조 빔 트레이닝, 트래킹 및 자원 할당은 네트워크의 signaling 오버헤드를 크게 줄일 수 있다.
• 산업적 진전과 표준화 활동은 6G 및 그 이상에서 ISAC에 대한 모멘텀 증가를 시사한다.
• 지각 네트워크는 센싱과 커뮤니케이션을 개념적으로 통합하여 환경 인지 서비스를 보편적으로 구축한다.