[논문 리뷰] NOMA for Integrating Sensing and Communications towards 6G: A Multiple Access Perspective

Xidong Mu, Zhaolin Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 6G에서 통합 센싱 및 통신(ISAC)을 위한 새로운 비직교 다중접근(NOMA) 기반 설계를 제안하며, 중첩 전송과 순차적 인터패런스 제거를 통해 센싱과 통신 간의 효율적인 스펙트럼 공유를 가능하게 한다. NOMA 기반의 다운링크 ISAC 및 NOMA 유사 다운링크 ISAC, 순수-NOMA 및 반-NOMA 상향링크 ISAC 프레임워크를 도입하여 수치 결과를 통해 기존의 직교 다중접근 및 순수-NOMA 접근 방식에 비해 센싱 대 통신의 성능 트레이드오프에서 뛰어난 성능을 입증한다.

ABSTRACT

This article focuses on the development of integrated sensing and communications (ISAC) from a multiple access (MA) perspective, where the idea of non-orthogonal multiple access (NOMA) is exploited for harmoniously accommodating the sensing and communication functionalities. We first reveal that the developing trend of ISAC is from \emph{orthogonality} to \emph{non-orthogonality}, and introduce the fundamental models of the downlink and uplink ISAC while identifying the design challenges from the MA perspective. (1) For the downlink ISAC, we propose two novel designs, namely \emph{NOMA-empowered} downlink ISAC and \emph{NOMA-inspired} downlink ISAC to effectively coordinate the inter-user interference and the sensing-to-communication interference, respectively. (2) For the uplink ISAC, we first propose a \emph{pure-NOMA-based} uplink ISAC design, where a fixed communication-to-sensing successive interference cancellation order is employed for distinguishing the mixed sensing-communication signal received over the fully shared radio resources. Then, we propose a general \emph{semi-NOMA-based} uplink ISAC design, which includes the conventional orthogonal multiple access-based and pure-NOMA-based uplink ISAC as special cases, thus being capable of providing flexible resource allocation strategies between sensing and communication. Along each proposed NOMA-ISAC design, numerical results are provided for showing the superiority over conventional ISAC designs.

연구 동기 및 목표

• 다중접근 관점에서 NOMA를 활용하여 통합 센싱 및 통신(ISAC)에서의 기능 간 간섭 문제를 해결하고자 한다.
• NOMA 원칙을 활용하여 사용자 간 간섭과 센싱에서 통신으로의 간섭을 조율하는 새로운 다운링크 ISAC 아키텍처를 개발하고자 한다.
• 센싱과 통신 간 동적 자원 할당을 가능하게 하는 순수-NOMA 및 반-NOMA 기반의 민첩한 상향링크 ISAC 프레임워크를 설계하고자 한다.
• 기존의 직교 다중접근(OMA) 및 순수-NOMA 기반 ISAC에 비해 NOMA-ISAC 설계가 센싱 및 통신 성능 트레이드오프 측면에서 뛰어나다는 것을 입증하고자 한다.

제안 방법

• 기지국에서 중첩 전송을 사용하고 사용자에서 순차적 인터패런스 제거(SIC)를 적용하여 사용자 간 간섭과 센싱에서 통신으로의 간섭을 관리하는 NOMA 기반 다운링크 ISAC를 제안한다.
• 센싱 신호와 통신 신호 간의 간섭을 줄이기 위해 전력 할당과 신호 구조를 재구성하는 NOMA 유사 다운링크 ISAC를 도입한다.
• 완전히 공유된 무선 자원을 통해 혼합 센싱-통신 신호를 처리하기 위해 고정된 순차적 인터패런스 제거 순서를 사용하는 순수-NOMA 기반 상향링크 ISAC 설계를 개발한다.
• 무선 자원을 센싱 전용, 통신 전용, 센싱-통신 혼합 자원 블록으로 분할하여 민감한 자원 할당을 가능하게 하는 반-NOMA 기반 상향링크 ISAC 프레임워크를 제안한다.
• 성능 평가를 위해 에르고딕 레이더 추정 정보율(REIR)과 에르고딕 통신 속도를 사용하여 센싱 및 통신 성능을 평가한다.
• 수치 결과를 활용하여 제안된 NOMA-ISAC 설계가 기존의 직교 다중접근(OMA) 기반 및 순수-NOMA 기반 ISAC와 비교하여 트레이드오프 성능 측면에서 어떻게 성능을 높이는지 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NOMA는 다운링크 ISAC에 어떻게 효과적으로 적용되어 사용자 간 간섭과 센싱에서 통신으로의 간섭을 완화할 수 있는가?
• RQ2 NOMA 유사 및 NOMA 기반 다운링크 ISAC 설계는 기존의 ISAC에 비해 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 순수-NOMA 기반 상향링크 ISAC 설계는 완전히 공유된 무선 자원 환경에서 효과적인 센싱과 통신 공존을 달성할 수 있는가?
• RQ4 반-NOMA 기반 상향링크 ISAC 설계는 어떻게 민감한 자원 할당과 센싱 및 통신 간 트레이드오프 향상을 가능하게 하는가?
• RQ5 자원 분할과 전력 할당은 상향링크 ISAC에서 센싱 대 통신 성능 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 반-NOMA 기반 상향링크 ISAC는 OMA 기반 및 순수-NOMA 기반 상향링크 ISAC 설계보다 뛰어난 센싱 대 통신 트레이드오프 성능을 달성한다.
• 순수-NOMA 기반 상향링크 ISAC는 센싱 우선 시나리오에서는 양호한 성능을 보이지만, 통신 우선 설계에서는 가장 열악한 통신 성능을 보인다.
• NOMA 기반 및 NOMA 유사 다운링크 ISAC 설계는 전력 도메인 다중접속과 SIC를 통해 사용자 간 간섭과 센싱에서 통신으로의 간섭을 효과적으로 억제한다.
• 반-NOMA 기반 상향링크 ISAC 설계는 OMA 기반 및 순수-NOMA 기반 설계를 특수 케이스로 포함하는 일반적인 프레임워크를 제공하여 적응형 자원 할당을 가능하게 한다.
• 수치 결과는 제안된 NOMA-ISAC 프레임워크가 스펙트럼 효율성과 성능 트레이드오프 측면에서 기존의 ISAC 설계보다 뛰어나다는 것을 확인한다.
• 반-NOMA 기반 상향링크 ISAC에서 C-RB 할당은 통신 성능 향상에 핵심적인 역할을 하며, 센싱 간섭을 통신 신호에 줄이는 데 기여한다.