[논문 리뷰] Location Sensing and Beamforming Design for IRS-Enabled Multi-User ISAC Systems

Zhouyuan Yu, Xiaoling Hu외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 10.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 동일한 시간-주파수 자원을 사용하여 업링크 통신과 다중 사용자 정위를 동시에 수행하는 IRS 기반 다중 사용자 ISAC 프레임워크를 제안한다. 업링크 신호를 활용한 블라인드 정위와 감지된 사용자 위치를 바탕으로 이산 단계 이득을 이용한 beamforming을 설계함으로써, 불완전한 CSI와 하드웨어 제약 조건에도 불구하고 밀리미터 수준의 정밀도와 거의 최적의 합산 속도 성능을 달성한다.

ABSTRACT

This paper explores the potential of the intelligent reflecting surface (IRS) in realizing multi-user concurrent communication and localization, using the same time-frequency resources. Specifically, we propose an IRS-enabled multi-user integrated sensing and communication (ISAC) framework, where a distributed semi-passive IRS assists the uplink data transmission from multiple users to the base station (BS) and conducts multi-user localization, simultaneously. We first design an ISAC transmission protocol, where the whole transmission period consists of two periods, i.e., the ISAC period for simultaneous uplink communication and multi-user localization, and the pure communication (PC) period for only uplink data transmission. For the ISAC period, we propose a multi-user location sensing algorithm, which utilizes the uplink communication signals unknown to the IRS, thus removing the requirement of dedicated positioning reference signals in conventional location sensing methods. Based on the sensed users' locations, we propose two novel beamforming algorithms for the ISAC period and PC period, respectively, which can work with discrete phase shifts and require no channel state information (CSI) acquisition. Numerical results show that the proposed multi-user location sensing algorithm can achieve up to millimeter-level positioning accuracy, indicating the advantage of the IRS-enabled ISAC framework. Moreover, the proposed beamforming algorithms with sensed location information and discrete phase shifts can achieve comparable performance to the benchmark considering perfect CSI acquisition and continuous phase shifts, demonstrating how the location information can ensure the communication performance.

연구 동기 및 목표

• 동일한 자원을 사용하여 동시 정위 및 업링크 통신을 가능하게 함으로써 통합 감지 및 통신(ISAC)에서 스펙트럼 효율성과 시스템 복잡성 간의 상충 관계를 해결한다.
• 기존 정위 기법에서 요구하는 전용 정위 신호가 필요 없도록 업링크 통신 신호를 활용하여 블라인드 다중 사용자 위치 감지 기능을 실현한다.
• 감지된 사용자 위치 정보를 활용해 이산 단계 이득과 불완전한 채널 상태 정보(CSI) 조건에서도 업링크 합산 속도를 향상시키는 beamforming 알고리즘을 설계한다.
• ISAC 주기와 순수 통신(PC) 주기 간의 시간 할당을 최적화하여 정위 정밀도와 통신 성능 간의 균형을 확보한다.
• 위치 정보가 완벽한 CSI를 대체할 수 있음을 입증하여, 낮은 하드웨어 복잡도로 고성능 통신을 가능하게 한다.

제안 방법

• 이중 단계 전송 프로토콜을 제안한다: 먼저 동시 통신 및 정위를 수행하는 ISAC 주기, 그 다음 전용 업링크 데이터 전송을 위한 PC 주기.
• IRS에서의 전용 기준 신호나 CSI가 필요 없이 사용자 업링크 신호를 활용해 위치를 추정하는 다중 사용자 위치 감지 알고리즘을 개발한다.
• 실시간 CSI가 필요 없이 감지된 사용자 위치와 이산 단계 이득을 활용해 ISAC 주기 동안의 beamforming 알고리즘을 설계한다.
• 동일한 위치 추정치를 활용해 이산 단계 이득 조건에서 합산 속도를 최대화하는 PC 주기용 두 번째 beamforming 알고리즘을 제안한다.
• 이산 단계 이득을 처리하고 수렴성을 향상시키기 위해 주요화-최소화(MM) 방법을 사용해 beamforming 최적화 문제를 수립한다.
• ISAC 주기와 PC 주기 간의 시간 할당 최적화 프레임워크를 도입하며, 최적 비율은 전송 전력과 감지 정밀도에 따라 달라진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS에서의 전용 정위 신호나 CSI가 없이도 업링크 통신 신호만으로도 고정밀 다중 사용자 정위를 달성할 수 있는가?
• RQ2 이산 단계 이득과 불완전한 CSI 조건에서 감지된 사용자 위치 정보를 효과적으로 활용해 beamforming을 설계할 수 있는가?
• RQ3 전체 시스템 성능을 극대화하기 위해 ISAC 주기와 PC 주기 간의 최적 시간 할당은 어떻게 되는가?
• RQ4 위치 기반 beamforming은 연속 단계 이득을 가진 CSI 기반 beamforming과 얼마나 유사한 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 전송 전력이 증가할수록 충분한 정위 정밀도를 확보하기 위해 ISAC 주기의 필요 지속 시간은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 제안된 다중 사용자 위치 감지 알고리즘이 90% 확률로 밀리미터 수준의 정밀도를 달성하여 업링크 신호를 이용한 블라인드 정위의 가능성을 입증한다.
• PC 주기 동안의 합산 속도는 분산된 서브-IRS의 수가 증가함에 따라 ISAC 주기보다 뚜렷이 향상된다.
• 이산 단계 이득과 위치 정보를 활용한 제안된 beamforming 알고리즘은 완벽한 CSI와 연속 단계 이득 조건을 가진 기준 성능과 유사한 합산 속도 성능을 달성한다.
• 전송 전력이 증가함에 따라 ISAC 주기의 최적 비율은 감소하며, -5 dBm에서는 약 1에서 출발해 25 dBm에서는 거의 0에 수렴한다.
• 높은 전송 전력에서는 정위 정밀도가 급격히 향상되어 더 이상 장시간 감지 주기를 확보할 필요가 없기 때문에 ISAC 주기의 필요 시간이 감소한다.
• 반경이 있는 IRS 요소 수나 감지 시간을 늘일수록 정위 정밀도가 더욱 향상되며, 이는 제안된 프레임워크의 확장 가능성을 입증한다.