[논문 리뷰] Multi-functional OFDM Signal Design for Integrated Sensing, Communications, and Power Transfer

Yumeng Zhang, Sundar Aditya외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 31.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 통합 센싱, 통신, 전력 전송(ISCAP)을 위한 다기능 OFDM 신호 설계를 제안하며, 하위대역마다 비대칭 가우시안 입력 분포의 비영 평균을 최적화하여 수확된 전력의 최대화를 도모하면서도 통신률 및 센싱 성능 제약 조건을 만족한다. 최적화된 웨이브폼은 기존의 공존 또는 대칭 신호 설계 대비 더 넓은 성능 영역을 달성하며, 적응형 전력 및 평균 할당을 통해 세 기능 간에 뛰어난 트레이드오프를 실현한다.

ABSTRACT

The wireless domain is witnessing a flourishing of integrated systems, e.g. (a) integrated sensing and communications, and (b) simultaneous wireless information and power transfer, due to their potential to use resources (spectrum, power) judiciously. Inspired by this trend, we investigate integrated sensing, communications and powering (ISCAP), through the design of a wideband OFDM signal to power a sensor while simultaneously performing target-sensing and communication. To characterize the ISCAP performance region, we assume symbols with non-zero mean asymmetric Gaussian distribution (i.e., the input distribution), and optimize its mean and variance at each subcarrier to maximize the harvested power, subject to constraints on the achievable rate (communications) and the average side-to-peak-lobe difference (sensing). The resulting input distribution, through simulations, achieves a larger performance region than that of (i) a symmetric complex Gaussian input distribution with identical mean and variance for the real and imaginary parts, (ii) a zero-mean symmetric complex Gaussian input distribution, and (iii) the superposed power-splitting communication and sensing signal (the coexisting solution). In particular, the optimized input distribution balances the three functions by exhibiting the following features: (a) symbols in subcarriers with strong communication channels have high variance to satisfy the rate constraint, while the other symbols are dominated by the mean, forming a relatively uniform sum of mean and variance across subcarriers for sensing; (b) with looser communication and sensing constraints, large absolute means appear on subcarriers with stronger powering channels for higher harvested power. As a final note, the results highlight the great potential of the co-designed ISCAP system for further efficiency enhancement.

연구 동기 및 목표

• 고속 통신, 정확한 센싱, 효율적인 무선 전력 전송을 동시에 가능하게 하는 통합 OFDM 웨이브폼을 설계하는 것.
• 데이터 전송률과 센싱 정확도에 대한 동시 제약 조건 하에서 통합 센싱, 통신, 전력 공급(ISCAP)의 성능 영역을 특성화하는 것.
• 통신 및 센싱 요구 조건을 만족하면서도 수확된 전력을 최대화하기 위해 OFDM 하위대역 간 입력 신호 분포(평균 및 분산)를 최적화하는 것.
• 공존 또는 대칭 신호 솔루션 대비 공동 설계된 ISCAP의 성능 영역 및 트레이드오프 효율성 측면에서의 우수성을 입증하는 것.

제안 방법

• 저자들은 각 하위대역에 대해 비영 평균 비대칭 가우시안 분포를 사용하여 OFDM 입력 신호를 모델링함으로써 평균과 분산을 독립적으로 최적화할 수 있도록 한다.
• 달성 가능한 통신률 및 평균 사이드로브-피크비(센싱 정확도의 대체 지표) 제약 조건 하에서 수확된 전력을 최대화하는 볼록 최적화 문제를 설정한다.
• 문제는 이차 제약 이차계획문제(QCQP)로 재구성되며, 라그랑주 승수를 통한 완화와 센싱 제약 조건 승수에 대한 이분법 검색을 통한 교차 최적화 방법으로 해결된다.
• 해결 과정에서는 전력 공분산 행렬의 비대각 성분을 직접 계산하고, 센싱 제약 조건의 이중 변수와 관련된 반복적 루트 찾기 방법을 통해 대각 성분을 유도한다.
• 알고리즘은 수렴할 때까지 신호 공분산 행렬 갱신과 이중 변수 정밀화를 번갈아 수행한다.
• 제안된 설계의 성능는 대조군 세 종류(비대칭 복소 가우시안, 평균 0인 비대칭 가우시안, 중첩형 파wr 스플리팅 신호)와의 시뮬레이션 비교를 통해 평가된다.

Figure 1 : System and OFDM Signal Model for ISCAP.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 OFDM 웨이브폼을 공동 설계하여 고속 통신, 정확한 센싱, 효율적인 무선 전력 전송을 동시에 지원할 수 있는가?
• RQ2 ISCAP의 성능 영역은 공존 또는 중첩된 통신, 센싱, 전력 전송 시스템의 성능 영역과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 통신률, 센싱 정확도, 수확된 전력 간 트레이드오프를 균형 있게 유지하기 위해 하위대역 간 최적의 입력 분포(평균 및 분산)는 무엇인가?
• RQ4 각 기능에 대한 채널 조건에 따라 하위대역 간 평균과 분산 할당 방식은 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 제안된 비대칭 가우시안 입력 분포는 대칭 복소 가우시안 입력, 평균 0 입력, 중첩형 파워 스플리팅 솔루션보다 더 넓은 ISCAP 성능 영역을 달성한다.
• 통신 채널이 강한 하위대역은 통신률 제약 조건을 충족시키기 위해 더 높은 분산을 할당받고, 센싱 또는 전력 전송 채널이 강한 하위대역은 센싱 성능 향상 또는 수확 전력 증대를 위해 더 큰 평균 값을 할당받는다.
• 최적화된 설계는 하위대역 전반에 걸쳐 평균과 분산의 합을 균일하게 분배함으로써 일관된 센싱 성능을 확보하는 균형 잡힌 트레이드오프를 나타낸다.
• 더 느슨한 제약 조건 하에서는 전력 전송 채널이 강한 하위대역에 더 큰 절대값의 평균을 할당하여 수확 전력을 최대화한다.
• 결과는 공동 설계된 ISCAP 신호가 공존 솔루션보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보이며, 향후 무선 네트워크의 스펙트럼 및 에너지 효율성 향상 잠재력을 입증한다.