[논문 리뷰] Integrated Sensing and Communications with Reconfigurable Intelligent Surfaces

Sundeep Prabhakar Chepuri, Nir Shlezinger외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파/테라헤르츠 대역에서 통신 신뢰성과 감지 성능을 향상시키기 위해 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 통합 감지 및 통신(ISAC)과 새로운 방식으로 융합하는 것을 제안한다. RIS를 활용해 통신 및 감지 채널 간의 결합을 제어함으로써, 특히 비선시선(NLoS) 환경에서 에너지 효율성과 시스템 성능 향상을 위한 공동 최적화가 가능해진다.

ABSTRACT

Integrated sensing and communications (ISAC) are envisioned to be an integral part of future wireless networks, especially when operating at the millimeter-wave (mmWave) and terahertz (THz) frequency bands. However, establishing wireless connections at these high frequencies is quite challenging, mainly due to the penetrating pathloss that prevents reliable communication and sensing. Another emerging technology for next-generation wireless systems is reconfigurable intelligent surfaces (RISs), which are capable of modifying harsh propagation environments. RISs are the focus of growing research and industrial attention, bringing forth the vision of smart and programmable signal propagation environments. In this article, we provide a tutorial-style overview of the applications and benefits of RISs for sensing functionalities in general, and for ISAC systems in particular. We highlight the potential advantages when fusing these two emerging technologies, and identify for the first time that: i) joint sensing and communications designs are most beneficial when the channels referring to these operations are coupled, and that ii) RISs offer means for controlling this beneficial coupling. The usefulness of RIS-aided ISAC goes beyond the individual obvious gains of each of these technologies in both performance and power efficiency. We also discuss the main signal processing challenges and future research directions which arise from the fusion of these two emerging technologies.

연구 동기 및 목표

• 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역에서 심한 경로 손실이 발생해 통신 및 감지 신뢰성이 떨어지는 문제를 해결한다.
• RIS와 ISAC 간의 상호보완성을 탐구하여 프로그래밍 가능하고 에너지 효율적인 전파 환경을 조성한다.
• 통신 및 감지 채널 간에 상호의존성이 존재할 경우 공동 감지 및 통신 설계가 가장 효과적인 조건을 규명한다.
• RIS와 ISAC의 융합으로 발생하는 신호 처리 과제, 특히 하드웨어 제약 조건과 이동성 고려 사항을 다룬다.
• RIS 보조 ISAC의 향후 연구 방향을 탐색한다. 하드웨어 설계, 구현 전략, 이동 환경에서의 동적 제어를 포함한다.

제안 방법

• RIS의 반사 계수 조절을 통해 전파 환경을 제어하는 MIMO 기반 ISAC 시스템 모델을 수립한다.
• RIS를 활용해 통신 및 감지 채널 간에 유리한 결합을 유도함으로써, beamforming 및 웨이브폼 설계의 공동 최적화를 가능하게 한다.
• OFDM, OTFS, 인덱스 변조와 같은 고급 변조 기법을 도입하여 ISAC에서 이중 기능 전송을 지원한다.
• 이동 대상 감지를 위해 도플러 및 클러터 모델링을 적용하고, 감지 해상도 향상을 위해 FMCW와 같은 웨이브폼을 적응적으로 활용한다.
• 하이브리드 아날로그/디지털 및 헬로그래픽 MIMO 아키텍처를 통합하여 대규모 어레이를 저비용으로 지원한다.
• 시간에 따라 변화하는 환경에서 RIS의 이동성 및 동적 설정이 채널 추정 및 beamforming에 미치는 영향을 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS는 ISAC 시스템에서 통신 및 감지 채널 간의 결합을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 RIS 보조 ISAC에서 통신 성능와 감지 성능 간의 근본적인 상충 관계는 무엇이며, 이를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 RIS 또는 이동 대상의 이동성은 ISAC에서 공동 beamforming 및 반사 제어 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이중 기능 감지 및 통신을 지원하기 위해 RIS가 충족해야 할 핵심 하드웨어 및 시스템 수준의 요구사항은 무엇인가?
• RQ5 여러 개의 RIS를 공동으로 투입하고 조율함으로써 ISAC 시스템의 감지 및 통신 성능을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 통신 및 감지 채널 간에 상호의존성이 존재할 경우 RIS를 통해 이들의 결합을 능동적으로 제어할 수 있기 때문에 공동 감지 및 통신 설계가 가장 효과적이다.
• RIS 보조 ISAC는 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역에서 심한 경로 손실을 보완하기 위해 제어 가능한 반사 경로를 생성함으로써 비선시선(NLoS) 환경에서 성능을 크게 향상시킨다.
• RIS와 ISAC의 융합은 활성 RF 체인에 대한 의존도를 줄이고 에너지 효율적이고 복잡도가 낮은 신호 전파 제어를 가능하게 한다.
• RIS의 배치로 인해 특히 혼잡하거나 장애물로 인해 통신이 어려운 환경에서 통신 신뢰성과 감지 정확도가 모두 향상된다.
• 향후 RIS 기반 ISAC 시스템은 이동 환경에서 공동 궤적 설계 및 beamforming을 통합함으로써 추적 성능과 연결 안정성을 향상시킬 수 있다.
• 하이브리드 수동/수동 RIS와 같은 하드웨어 혁신이 동시 감지 및 통신 기능을 지원하기 위해 등장하고 있으며, 새로운 시스템 기능을 가능하게 하고 있다.