[논문 리뷰] Seventy Years of Radar and Communications: The Road from Separation to Integration

Fan Liu, Zheng Le외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 02.

Military and Defense Studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 레이더와 통신의 역사를 신호 처리 관점에서 종합적으로 다루며, 통합 감지 및 통신(ISAC) 시스템으로의 융합 과정을 추적한다. 공유된 하드웨어, 스펙트럼, 그리고 신호 처리 프레임워크 덕분에 감지 및 통신 성능 간의 확장 가능한 트레이드오프가 가능하며, 통신 및 감지 하위공간이 완전히 일치할 경우 최적의 성능을 달성한다(상관계수 ρ = 1).

ABSTRACT

Radar and communications (R&C) as key utilities of electromagnetic (EM) waves have fundamentally shaped human society and triggered the modern information age. Although R&C have been historically progressing separately, in recent decades they have been converging towards integration, forming integrated sensing and communication (ISAC) systems, giving rise to new, highly desirable capabilities in next-generation wireless networks and future radars. To better understand the essence of ISAC, this paper provides a systematic overview on the historical development of R&C from a signal processing (SP) perspective. We first interpret the duality between R&C as signals and systems, followed by an introduction of their fundamental principles. We then elaborate on the two main trends in their technological evolution, namely, the increase of frequencies and bandwidths, and the expansion of antenna arrays. We then show how the intertwined narratives of R&C evolved into ISAC, and discuss the resultant SP framework. Finally, we overview future research directions in this field.

연구 동기 및 목표

• 신호 처리(SP) 관점에서 레이더와 통신의 역사를 체계적으로 분석하기.
• 레이더와 통신의 융합을 가능하게 한 핵심 기술 트렌드—주파수/대역폭 증가 및 안테나 어레이 확장—을 규명하기.
• 통합 감지 및 통신(ISAC) 시스템을 위한 통합된 SP 프레임워크 수립하기.
• ISAC에서 성능 트레이드오프, 실용적 신호 처리, 네트워크 기반 ISAC 구현과 관련된 열린 과제와 향후 연구 방향 규명하기.

제안 방법

• 신호 및 시스템 관점에서 레이더와 통신 간의 이중성 분석을 통해 공통된 물리 계층 원칙 강조.
• R&C의 발전을 두 가지 주요 추세인 주파수 및 대역폭 증가, 단일 안테나에서 마이크로파 MIMO 및 분산 안테나 어레이로의 확장으로 추적.
• 감지 및 통신 성능의 공동 최적화를 모델링하여 ISAC를 위한 통합된 SP 프레임워크 도입.
• 통신 채널과 타겟 스트림 벡터 간의 상관계수 ρ를 사용해 통신 및 감지 하위공간 간의 정렬 정도를 정량화.
• 레이더 크래머-라오 하한(CRB)과 통신 가능 수신률 간의 확장 가능한 트레이드오프를 도출하기 위해 제약 조건이 있는 최적화 문제 활용.
• 시뮬레이션을 통해 트레이드오프를 검증하여, ρ가 증가할수록 성능 향상이 이루어지며, ρ = 1일 때 최적 성능에 도달함을 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수, 대역폭, 안테나 어레이의 역사는 레이더와 통신의 융합을 어떻게 이끌었는가?
• RQ2 ISAC 시스템에서 감지 및 통신의 통합을 가능하게 하는 기본적인 신호 처리 프레임워크는 무엇인가?
• RQ3 통신 채널과 레이더 스트림 벡터 간의 상관계수가 ISAC의 성능 트레이드오프에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 실용적이고 네트워크 기반의 ISAC 시스템을 구현하는 데 있어 핵심적인 열린 과제는 무엇인가?
• RQ5 ISAC 성능 트레이드오프의 파레토 경계는 어떤 형태이며, 어떻게 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 레이더와 통신의 융합은 주파수 및 대역폭 증가, 안테나 어레이의 단일 안테나에서 마이크로파 MIMO 및 분산 시스템으로의 확장이라는 두 가지 핵심 추세에 의해 이끌린다.
• ISAC 신호 설계는 레이더 감지(CR)와 통신 수신률 간에 확장 가능한 트레이드오프를 달성하며, 통신 및 감지 하위공간 간 상관계수 ρ가 증가할수록 성능 향상이 이루어진다.
• 상관계수 ρ가 1에 도달할 경우 통신 및 감지 하위공간이 완전히 일치하여 상호 간 성능 저하 없이 최적의 성능을 달성할 수 있다.
• ISAC 트레이드오프 프레임워크는 통신 및 감지 하위공간 간의 높은 정렬 수준이 자원 재사용과 시스템의 상호보완적 상호작용을 향상시킬 수 있음을 드러낸다.
• 현재의 ISAC 연구는 주로 귀두 사례(예: ρ = 0 또는 ρ = 1)에 국한되어 있으며, 특히 다중 사용자 및 다중 타겟 환경에서 파레토 경계의 정확한 형태는 아직 알려져 있지 않다.
• 실용적 ISAC 구현은 5G NR 웨이브폼에서의 높은 PAPR, 하드웨어 제약(예: 양자화된 위상 시프터), 전용 이중성 운영 및 네트워크 수준의 동기화 필요성 등의 과제를 안고 있다.