[논문 리뷰] Power Allocation for Joint Communication and Sensing in Cell-Free Massive MIMO

Zinat Behdad, Özlem Tuğfe Demir외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 05.

Distributed Sensor Networks and Detection Algorithms인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 세포 자유형 매크로 MIMO 시스템을 위한 전력 할당 알고리즘을 제안하여 다운링크 통신 성능과 다중 정적 센싱 성능을 동시에 최적화한다. 사용자 장비의 SINR 및 각 AP의 전력 제약 조건 하에서 센싱 신호 대 잡음비를 최대화함으로써, 전용 센싱 기호 없이도 목표 탐지 확률을 크게 향상시킨다—특히 낮은 레이더 단면적을 가진 목표에 대해 유의미한 성능 향상을 보이며, 저전력 예산에서도 통신 중심 설계를 능가한다.

ABSTRACT

This paper studies a joint communication and sensing (JCAS) system with downlink communication and multi-static sensing for single-target detection in a cloud radio access network architecture. A centralized operation of cell-free massive MIMO is considered for communication and sensing purposes. The JCAS transmit access points (APs) jointly serve the user equipments (UEs) and optionally steer a beam towards the target. A maximum a posteriori ratio test detector is derived to detect the target using signals received at distributed APs. We propose a power allocation algorithm to maximize the sensing signal-to-noise ratio under the condition that a minimal signal-to-interference-plus-noise ratio value for each UE is guaranteed. Numerical results show that, compared to the fully communication-centric power allocation, the detection probability under a certain false alarm probability can be increased significantly by the proposed algorithm for both JCAS setups: i) using additional sensing symbols or ii) using only existing communication symbols.

연구 동기 및 목표

• 공유 자원 무선 시스템에서 통신 및 센싱 성능 간의 상충 관계를 해결하기 위해.
• C-RAN을 통한 중심 집중 처리를 통해 세포 자유형 매크로 MIMO 아키텍처에서 통신 및 센싱의 공동 이용(JCAS)을 가능하게 하기 위해.
• 각 사용자 장비의 최소 SINR를 보장하면서 센싱 성능(신호 대 잡음비)을 최대화하기 위해.
• 전용 센싱 기호 사용 여부가 탐지 확률에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 제한된 총 전력 조건 하에서 저RCS 목표의 탐지 확률을 향상시키는 전력 할당 전략을 설계하기 위해.

제안 방법

• 두 단계의 접근 방식을 사용한다: 첫 번째 단계에서는 볼록-오목 프로그래밍 기반 알고리즘이 SINR 및 각 AP 전력 제약 조건 하에서 센싱 신호 대 잡음비를 최대화한다.
• 두 번째 단계에서는 전이기지국에서 수신기까지의 어레이 응답 벡터와 목표의 레이더 단면적(RCS) 통계를 통합한 최대 사후비율 검출기(MAPRT)를 유도한다.
• 검출기는 엣지 클라우드에서 중심 집중 수신 처리를 통해 분산된 액세스 포인트로부터 신호를 통합함으로써 센싱 신뢰도를 향상시킨다.
• 두 가지 시스템 설정을 평가한다: 하나는 다운링크 통신 기호를 센싱에 재사용하는 방식이며, 다른 하나는 별도의 전력 할당을 받는 전용 센싱 기호를 할당하는 방식이다.
• 최적화 문제는 각 사용자 장비의 최소 SINR을 보장하면서 센싱 SNR을 최대화하도록 설정된다.
• 이 방법은 RCS의 통계적 분포를 고려하고 분산된 AP 간의 위상 일관성 있는 공동 처리를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세포 자유형 매크로 MIMO 시스템에서 통신 사용자의 최소 SINR를 유지하면서 센싱 성능을 최대화하기 위해 전력을 어떻게 할당할 수 있는가?
• RQ2 전용 센싱 기호를 사용하는 것과 통신 기호를 재사용하는 것의 탐지 확률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 낮은 레이더 단면적(RCS) 값일 경우 탐지 확률는 어떻게 변화하며, 이러한 조건에서 센싱 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 JCAS 시스템에서 총 전송 전력과 센싱 탐지 성능 간의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 통신 기호만을 사용하여 센싱을 수행할 경우, 사용자 장비의 수가 증가하면 센싱 성능는 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• 제안된 JCAS 전력 할당은 저전력 예산(~38 dBm)에서도 통신 중심 기반 대비 탐지 확률을 0.3에서 0.9로 향상시킨다.
• 전용 센싱 기호를 사용할 경우 RCS 분산이 ≥ -25 dB일 경우 탐지 확률은 1.0에 가까워지지만, 통신 중심 접근 방식은 동일 조건에서 0.2 이하에 머문다.
• 전용 센싱 기호 없이도 센싱 SNR를 최대화하면 RCS ≥ -10 dB일 경우 탐지 확률이 0.8를 초과한다.
• 전용 센싱 기호를 사용할 경우 사용자 장비 수가 증가함에 따라 기여 전력 할당이 감소하여 센싱 성능이 열악해지지만, 통신 기호만 재사용할 경우 성능 향상이 이루어진다.
• 총 전력 약 ~38 dBm 이상에서 탐지 확률 곡선이 평평해지며, 이는 추가 전력 증가에 따른 성능 향상의 감소를 의미한다.
• MAPRT 검출기는 어레이 응답 벡터와 RCS 통계를 효과적으로 포착하여 엣지 클라우드에서 최적의 중심 집중 센싱을 가능하게 한다.