[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Assisted Integrated Sensing and Communications for mmWave Channels

Zhengyu Zhu, Zheng Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터웨이브(mmWave) 대역에서 지능형 반사 표면(IRS)을 활용한 통합 감지 및 통신(ISAC) 시스템을 제안하며, 레이더 신호 공분산, 통신 beamforming, IRS 위상 시프트를 공동 최적화하여 합산 속도를 극대화하면서 감지 및 통신 성능를 균형 있게 유지한다. 폐쇄형 해법과 이차형 변환, 주도화 최소화, 다양체 최적화를 활용한 교대 최적화 기법이 제안되었으며, IRS가 낮은 계산 복잡도로도 ISAC 성능을 크게 향상시킴을 입증한다.

ABSTRACT

This paper proposes an intelligent reflecting surface (IRS) assisted integrated sensing and communication (ISAC) system operating at the millimeter-wave (mmWave) band. Specifically, the ISAC system combines communication and radar operations and performs, detecting and communicating simultaneously with multiple targets and users. The IRS dynamically controls the amplitude or phase of the radio signal via reflecting elements to reconfigure the radio propagation environment and enhance the transmission rate of the ISAC system. By jointly designing the radar signal covariance (RSC) matrix, the beamforming vector of the communication system, and the IRS phase shift, the ISAC system transmission rate can be improved while matching the desired waveform for radar. The problem is non-convex due to multivariate coupling, and thus we decompose it into two separate subproblems. First, a closed-form solution of the RSC matrix is derived from the desired radar waveform. Next, the quadratic transformation (QT) technique is applied to the subproblem, and then alternating optimization (AO) is employed to determine the communication beamforming vector and the IRS phase shift. For computing the IRS phase shift, we adopt both the majorization minimization (MM) and the manifold optimization (MO). Also, we derive a closed-form solution for the formulated problem, effectively decreasing computational complexity. Furthermore, a trade-off factor is introduced to balance the performance of communication and sensing. Finally, the simulations verify the effectiveness of the algorithm and demonstrate that the IRS can improve the performance of the ISAC system.

연구 동기 및 목표

• B5G/6G mmWave ISAC 시스템에서의 스펙트럼 부족과 높은 하드웨어 비용 문제를 해결하기 위해.
• 저비용 IRS를 활용하여 무선 전파 환경을 재구성함으로써 mmWave 대역에서의 ISAC 성능을 향상시키기 위해.
• 합산 속도 극대화를 위해 레이더 신호 공분산, 통신 beamforming, IRS 위상 시프트를 공동 최적화하기 위해.
• 시스템 가중치 인자 λ를 활용하여 통신 및 레이더 성능 간의 트레이드오프를 균형 있게 조절하기 위해.
• 폐쇄형 해법과 효율적인 최적화 기법을 통해 계산 복잡도를 감소시키기 위해.

제안 방법

• mmWave ISAC에서 레이더 신호 공분산 행렬(RSC), 통신 beamforming 벡터, IRS 위상 시프트를 공동 최적화하는 프레임워크를 제안한다.
• 희망하는 레이더 웨이브폼에 기반해 웨이브폼 매칭을 보장하기 위해 RSC 행렬에 대한 폐쇄형 해법을 유도한다.
• 비볼록 문제를 다룰 수 있는 부분문제로 재구성하기 위해 이차형 변환(QT)을 적용한다.
• beamforming과 IRS 위상 시프트를 반복적으로 해결하기 위해 교대 최적화(AO)를 활용한다.
• 효율적인 IRS 위상 시프트 계산을 위해 주도화 최소화(MM)와 다양체 최적화(MO)를 사용한다.
• 통신 합산 속도와 레이더 탐지 성능 간의 트레이드오프를 조절하기 위해 트레이드오프 파라미터 λ를 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS를 어떻게 활용하여 mmWave ISAC 시스템의 합산 속도를 향상시키면서도 레이더 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ2 IRS를 활용한 ISAC 시스템에서 레이더 신호 공분산, beamforming, IRS 위상 시프트의 최적 공동 설계는 무엇인가?
• RQ3 트레이드오프 파라미터 λ는 통신 및 감지 성능 간 균형에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 IRS 위상 시프트 해상도(B 비트)는 합산 속도와 연속적 위상과의 성능 격차에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 IRS 요소 수와 통신 안테나 수는 시스템 성능에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 IRS를 활용한 ISAC 시스템은 특히 많은 수의 IRS 반사 요소를 갖는 경우에 뚜렷한 합산 속도 향상을 달성한다.
• 통신 안테나 수를 늘리는 것보다 IRS 요소 수를 늘리는 것이 합산 속도 향상에 더 효과적이다.
• 높은 시스템 가중치 인자 λ(통신을 우선시)는 저SNR 조건에서 레이더 탐지 확률을 감소시킨다.
• 레이더 SNR이 13 dB를 초과하면 λ에 관계없이 탐지 확률이 높게 유지되며, 이는 트레이드오프 파라미터에 대한 민감도가 낮아짐을 시사한다.
• 위상 해상도 B가 증가할수록 연속적 위상과 이산적 위상 간의 성능 격차가 감소하며, B=3 비트로도 거의 최적 성능에 도달할 수 있다.
• 폐쇄형 해법과 MM/MO 기반 최적화 기법은 높은 시스템 성능를 유지하면서도 계산 복잡도를 크게 감소시킨다.