[논문 리뷰] NOMA Empowered Integrated Sensing and Communication

Zhaolin Wang, Yuanwei Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 08.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 15인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 기지국이 전력 도메인 NOMA를 통해 다수의 사용자를 동시에 서비스하면서도 중첩된 신호를 레이더 감지에 활용하는 NOMA 기반 통합 감지 및 통신(ISAC) 프레임워크를 제안한다. 후행 간섭 제거(SIC)와 이중 레이어 페널티 기반의 후행 볼록 근사화 알고리즘을 사용함으로써, 특히 고공간 상관성 또는 과부하 상황에서 기존 ISAC보다 뛰어난 통신-감지 트레이드오프 성능를 달성하며, 통신 대역폭과 감지 성능 측면에서 이상적인 ISAC 성능에 근접한다.

ABSTRACT

A non-orthogonal multiple access (NOMA) empowered integrated sensing and communication (ISAC) framework is investigated. A dual-functional base station serves multiple communication users employing NOMA, while the superimposed NOMA communication signal is simultaneously exploited for target sensing. A beamforming design problem is formulated to maximize the weighted sum of the communication throughput and the effective sensing power. To solve this problem, an efficient double-layer penalty-based algorithm is proposed by invoking successive convex approximation. Numerical results show that the proposed NOMA-ISAC outperforms the conventional ISAC in the underloaded regime experiencing highly correlated channels and in the overloaded regime.

연구 동기 및 목표

• 제한된 공간 자유도로 인해 과부하 또는 고공간 상관성 채널에서 기존 ISAC의 성능 한계를 해결하기 위해.
• 스펙트럼 효율성을 향상시키고 사용자 간 간섭을 완화하기 위해 비정규 다중접근(NOMA)을 ISAC에 통합하기 위해.
• 서비스 품질 및 레이더 제약 조건 하에 통신 대역폭의 가중합과 효과적 감지 전력의 최대화를 위한 공동 beamforming 최적화를 수행하기 위해.
• NOMA-ISAC의 비볼록 beamforming 설계 문제를 해결하기 위한 확장 가능하고 저복잡도 알고리즘 개발하기 위해.

제안 방법

• 최소 데이터 전송률 및 레이더 특화 제약 조건 하에 통신 대역폭의 가중합과 효과적 감지 전력의 최대화를 위한 beamforming 설계 문제를 수립한다.
• 최적화 문제의 비볼록성 처리를 위해 후행 볼록 근사화(Sequential Convex Approximation, SCA)를 적용한다.
• 사용자 전송률 제약 조건과 레이더 감지 요구사항을 동시에 처리하기 위해 이중 레이어 페널티 기반 알고리즘을 도입한다.
• 강한 신호를 먼저 디코드하고 약한 신호를 간섭으로 간주함으로써 전력 도메인 다중접속을 가능하게 하기 위해 사용자 측에서 후행 간섭 제거(SIC)를 사용한다.
• 대규모 fading 행렬을 통해 공간 상관성 채널을 모델링하고, 채널 상관성을 beamforming 설계에 통합한다.
• 성능 트레이드오프 및 beam 패턴 평가를 위해 400개의 채널 실현값에 걸쳐 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고공간 상관성 또는 과부하 상황에서, 기존 ISAC가 공간 자유도가 제한되어 실패하는 상황에서 NOMA는 ISAC 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 통신 대역폭과 효과적 감지 전력 간 트레이드오프 측면에서 NOMA-ISAC는 기존 ISAC보다 어떻게 비교되는가?
• RQ3 NOMA-ISAC는 통신과 감지가 별개로 작동하는 이상적인 ISAC 시스템의 성능에 얼마나 근접하는가?
• RQ4 과부하 상황에서 NOMA-ISAC의 beamforming 설계는 전송 beam 패턴과 감지 정렬성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 채널 상관성이 NOMA-ISAC와 기존 ISAC 간 성능 격차에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 과부하 상황(N=4, K=6)에서, SIC를 통한 효과적인 간섭 제거 덕분에 NOMA-ISAC는 기존 ISAC보다 유의미한 성능 향상을 달성한다. 특히 고공간 상관성 하에서 두드러진다.
• 공간 상관성이 높을 경우, NOMA-ISAC는 과부하가 아닌 상황(N=4, K=2)에서도 기존 ISAC를 능가하지만, 저상관성 하에서는 기존 ISAC가 더 우수한 성능를 보인다.
• 과부하 상황에서도 NOMA-ISAC의 전송 beam 패턴은 의도한 방향(-40° 및 40°)에 주요 빔을 유지하는 반면, 기존 ISAC는 불필요한 방향으로 심한 전력 누설을 경험한다.
• NOMA-ISAC와 이상적인 ISAC 시스템 간 성능 격차는 극히 미미하여, NOMA-ISAC가 통신 및 감지 측면에서 이론적 상한선에 거의 도달함을 시사한다.
• 과부하 상황에서 NOMA-ISAC는 높은 통신 대역폭(13.5 bit/s/Hz)을 유지하면서도 강력한 효과적 감지 전력을 확보하여, 강건성과 스펙트럼 효율성을 입증한다.
• 이중 레이어 페널티 기반 SCA 알고리즘은 안정적으로 수렴하며 비볼록 beamforming 문제의 효율적 해결을 가능하게 하여 실시간 구현 가능성도 입증한다.