[논문 리뷰] Joint Multi-User Communication and Sensing Exploiting Both Signal and Environment Sparsity

Xin Tong, Zhaoyang Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 38인용 수 126

한 줄 요약

이 논문은 IRS를 활용한 SCMA 시스템에서 다중 사용자 통신과 환경 감지의 통합을 위한 반복적이고 슬라이딩 윈도우 기반의 그래프 기반 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘은 사용자 신호와 환경 산란체의 희박성 특성을 활용하며, 통신 복원과 환경 영상 간의 상호 보완적 관계를 유지함으로써 피드백과 모멘텀 기반 최적화를 통해 수렴성과 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

As a potential technology feature for 6G wireless networks, the idea of sensing-communication integration requires the system not only to complete reliable multi-user communication but also to achieve accurate environment sensing. In this paper, we consider such a joint communication and sensing (JCAS) scenario, in which multiple users use the sparse code multiple access (SCMA) scheme to communicate with the wireless access point (AP). Part of the user signals are scattered by the environment object and reflected by an intelligent reflective surface (IRS) before they arrive at the AP. We exploit the sparsity of both the structured user signals and the unstructured environment and propose an iterative and incremental joint multi-user communication and environment sensing scheme, in which the two processes, i.e., multi-user information detection and environment object detection, interweave with each other thanks to their intrinsic mutual dependence. The proposed algorithm is sliding-window based and also graph based, which can keep on sensing the environment as long as there are illuminating user signals. The trade-off relationship between the key system parameters is analyzed, and the simulation result validates the convergence and effectiveness of the proposed algorithm.

연구 동기 및 목표

• 6G 무선 네트워크에서 신뢰할 수 있는 다중 사용자 통신과 정확한 환경 감지를 통합하는 과제를 해결한다.
• SCMA를 통해 구조화된 다중 사용자 신호와 비구조화된 환경 산란체의 희박성을 활용하여 시스템 복잡도를 감소시킨다.
• 사용자 검출과 환경 영상 간의 상호 보완적 관계를 가능하게 하는 통합 통신 및 감지 프레임워크를 개발한다.
• 사용자 신호 수신이 지속되는 동안 지속적인 환경 감지를 유지할 수 있는 점진적 슬라이딩 윈도우 알고리즘을 설계한다.
• 사용자 수와 감지/통신 성능 간의 트레이드오프를 분석한다.

제안 방법

• 다중 사용자 업링크 전송을 위해 희박성 구조를 활용하는 스파ARSE 코드 다중접근(SCMA)을 적용한다.
• 지능형 반사 표면(IRS)을 활용해 환경 물체로부터 산란된 신호를 접근 지점으로 반사한다.
• 압축 감지(CS) 이론을 적용하여 환경 감지를 희박한 신호 복원 문제로 모델링한다.
• 다중 사용자 검출과 환경 영상 간을 번갈아가며 수행하는 슬라이딩 윈도우 기반 반복 알고리즘을 설계한다.
• 과거 데이터를 통합하여 수렴성과 감지 정확도를 향상시키는 '모멘텀 모드' 구성 요소를 도입한다.
• 복원된 데이터에서 유도된 피드백을 활용해 환경 감지를 정교화하고, 이를 통해 후속 복원 정확도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자 신호와 환경 산란체의 희박성을 동시에 활용하여 저복잡도의 JCAS를 실현할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 다중 사용자 검출과 환경 감지 간의 상호 의존성은 무엇이며, 이를 성능 향상에 어떻게 활용할 수 있는가?
• RQ3 사용자 수가 통신 복원 정확도(SER)와 환경 감지 정확도(MSE) 간의 트레이드오프에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 피드백은 통합 검출 및 감지 과정의 수렴성과 정확도 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 모멘텀 모드 구성 요소는 다양한 사용자 수에서 시스템 성능에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 반복 알고리즘은 시간이 지남에 따라 수렴하며, 데이터 패킷 수가 증가할수록 MSE는 감소하고 SER은 향상된다.
• 피드백은 복원 정확도를 크게 향상시키며, 후속 패킷이 이전 감지에서 유도된 보다 정확한 환경 추정치를 활용할 수 있도록 한다.
• SER과 MSE가 모두 최적 성능에 도달하는 최적의 사용자 수(약 12명)가 존재하며, 이는 사용자 부하와 시스템 정확도 사이의 명확한 트레이드오프를 시사한다.
• 사용자 수가 최적 지점을 초과하면 간섭 증가와 추정 오차 증가로 인해 복원 및 감지 성능이 둔화된다.
• 모멘텀 모드는 높은 사용자 수에서 시스템 성능을 향상시키며, 특히 모멘텀 계수(µ = 0.9)가 높을 경우 MSE와 SER을 감소시킨다.
• 계산 복잡도는 사용자 수가 증가함에 따라 증가하며, 단일 데이터 패키지에 대해 런타임이 5명일 때 4.95초에서 20명일 때 5.64초로 증가함을 보여준다.