[논문 리뷰] Joint Communication and Sensing in RIS-enabled mmWave Networks

Lu Wang, Luis F. Abanto‐Leon외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 07.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 재구성가능한 지능형 표 superf Olympian (RIS)를 활용한 mmWave 네트워크에서 복합 통신 및 감지(JCAS) 프레임워크를 제안하며, 하이브리드 비음향형 및 RIS 위상 이동을 통해 비음향형 평균 제곱 오차(MSE)를 최소화하고, SINR 및 전력 제약 조건을 만족한다. 만곡면 기반 ADMM 알고리즘과 페널티 방법을 활용한 비볼록 최적화는 향상된 감지 정렬성과 통신 신뢰성을 달성하며, 특히 더 큰 RIS를 사용할 경우 유의미한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

Empowering cellular networks with augmented sensing capabilities is one of the key research areas in 6G communication systems. Recently, we have witnessed a plethora of efforts to devise solutions that integrate sensing capabilities into communication systems, i.e., joint communication and sensing (JCAS). However, most prior works do not consider the impact of reconfigurable intelligent surfaces (RISs) on JCAS systems, especially at millimeter-wave (mmWave) bands. Given that RISs are expected to become an integral part of cellular systems, it is important to investigate their potential in cellular networks beyond communication goals. In this paper, we study mmWave orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) JCAS systems in the presence of RISs. Specifically, we jointly design the hybrid beamforming and RIS phase shifts to guarantee the sensing functionalities via minimizing a chordal-distance metric, subject to signal-to-interference-plus-noise (SINR) and power constraints. The non-convexity of the investigated problem poses a challenge which we address by proposing a solution based on the penalty method and manifold-based alternating direction method of multipliers (ADMM). Simulation results demonstrate that under various settings both sensing and communication experience improved performance when the RIS is adequately designed. In addition, we discuss the tradeoff between sensing and communication.

연구 동기 및 목표

• mmWave 시스템에서 RIS와 JCAS의 통합 부족 문제를 해결하기 위해, 특히 하이브리드 비음향형 및 RIS 위상 제어를 고려한다.
• 통신의 SINR 향상과 감지 비음향형 정확도 향상을 동시에 달성하기 위해 하이브리드 비음향형과 RIS 위상 이동을 공동 최적화한다.
• 실용적인 전력 및 SINR 제약 조건을 만족하면서도 RIS에서의 비음향형 MSE를 최소화하여 감지 성능의 대체 지표로 활용한다.
• 비볼록, 고차원 mmWave JCAS 시스템에서 공동 최적화를 위한 확장 가능한 솔루션을 개발한다.

제안 방법

• 각 사용자별 SINR 및 총 전송 전력 제약 조건 하에 RIS에서의 비음향형 MSE를 최소화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• RIS 위상 이동과 비음향형 설계를 분리하기 위해 보조 변수를 도입하여 반복 최적화를 가능하게 한다.
• RIS 위상 이동의 비볼록 등식 제약 조건을 처리하기 위해 페널티 방법을 적용하여 이를 비제약 페널티 항으로 변환한다.
• 스티엘렐 맨골드(Stiefel manifold) 상에서 효율적으로 최적화 문제를 해결하기 위해 만곡면 기반 분할 다중 승수 방법(ADMM)을 활용한다.
• 현재의 이동통신 시스템과 호환되는 OFDM 웨이브폼을 사용하여 실용적 구현 가능성을 확보한다.
• 리emann 최적화를 활용해 하이브리드 비음향형과 RIS 위상 이동을 반복적으로 업데이트하여 고품질의 해에 수렴한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS를 하이브리드 비음향형과 공동 최적화하여 mmWave JCAS 시스템에서 감지 및 통신 성능을 향상시킬 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 RIS 크기 및 구성은 감지 정확도와 통신 신뢰성 간의 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 최적화 방법은 고정 또는 무작위 RIS 위상 이동 기반 기준 대비 SINR 타당성 및 비음향형 MSE 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 SNR 및 SINR 임계값이 변화할 경우 감지 및 통신 간의 성능 트레이드오프는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 제안된 만곡면 기반 ADMM 알고리즘은 실용적인 mmWave JCAS 구현 환경에서 비볼록 공동 최적화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 19 dB SNR에서 비음향형 MSE를 1.56 dB 감소시킬 때, 제안된 방법은 'FDB with RIS' 기준 대비 21% 높은 SINR 타당성 비율을 확보한다.
• 19 dB SNR에서 SNR를 25 dB로 증가시키면 평균 SINR가 1.61 dB 향상되고 비음향형 MSE가 2.94 dB 증가하여 통신과 감지 간의 트레이드오프가 명확히 드러난다.
• SINR 임계값이 12 dB를 초과하면 SINR 타당성 비율이 급격히 감소하지만, 제안된 방법은 수렴성이 뛰어나 'FDB with RIS'보다 더 오랫동안 타당성을 유지한다.
• 더 높은 SNR에서 더 많은 전송 전력이 감지 최적화에 사용 가능해지므로 비음향형 MSE가 감소한다.
• 더 큰 RIS 크기는 감지 성능(낮은 MSE)과 통신 신뢰성(높은 타당성 비율)을 모두 크게 향상시킨다.
• 무작위 RIS 위상 이동은 거의 0에 가까운 SINR을 유도하므로, RIS 설정이 통신 성능에 결정적인 영향을 미친다는 점을 확인한다.