[논문 리뷰] System-Level Analysis of Joint Sensing and Communication based on 5G New Radio

Lorenzo Pucci, Enrico Paolini외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 28.

Distributed Sensor Networks and Detection Algorithms참고 문헌 45인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 5G 뉴 라디오 기반 다빔 시스템을 제안하여 공동 감지 및 통신(JSC)을 수행하며, 전송된 전력의 일부를 사용해 빔포밍을 통해 목표물의 거리, 속도 및 도래각(DoA)을 추정한다. 주요 결과로는 mmWave 대역에서 30%의 감지 전력으로 수미터 이내의 정밀도를 확보할 수 있으며, 목표물의 위치 정확도에서 DoA 추정이 주요 오차 원인임을 확인하였다.

ABSTRACT

This work investigates a multibeam system for joint sensing and communication (JSC) based on multiple-input multiple-output (MIMO) 5G new radio (NR) waveforms. In particular, we consider a base station (BS) acting as a monostatic sensor that estimates the range, speed, and direction of arrival (DoA) of multiple targets via beam scanning using a fraction of the transmitted power. The target position is then obtained via range and DoA estimation. We derive the sensing performance in terms of probability of detection and root mean squared error (RMSE) of position and velocity estimation of a target under line-of-sight (LOS) conditions. Furthermore, we evaluate the system performance when multiple targets are present, using the optimal sub-pattern assignment (OSPA) metric. Finally, we provide an in-depth investigation of the dominant factors that affect performance, including the fraction of power reserved for sensing.

연구 동기 및 목표

• 5G NR 웨이브폼을 사용한 다빔 JSC 시스템을 설계하여 동시에 통신과 레이더 감지를 가능하게 한다.
• 단일 레이더 설정에서 스캐닝 중 빔 사이드로브로 인해 발생하는 허위 목표물 문제를 해결한다.
• LOS 조건 하에서 감지, 정위치 추정, 기수 오차 측면에서 시스템 성능을 평가한다.
• 주로 전력 할당 비율과 빔포밍 파arameter가 성능을 제한하는 주요 요인임을 규명한다.
• 실제 다수 목표물 시나리오에서 sub-6 GHz 및 mmWave 대역 간 시스템 성능을 비교한다.

제안 방법

• 기지국(BS)은 단일 레이더로 기능하며, 환경 스캔을 위해 일부 빔포밍 자원을 사용해 빔형 신호를 통해 목표물 파rameter를 추정한다.
• 동일한 하드웨어와 스펙트럼을 사용해 동시에 통신과 감지를 가능하게 하기 위해 오р토곤럴 주파수 분할 multiplexing(OFDM) 웨이브폼과 빔포밍을 활용한다.
• 범위-각도 도메인에서 목표물을 탐지하기 위해 페리오도그램 기반 가설 검정을 사용한 후, 빔형 신호에 대해 MUSIC 알고리즘을 사용해 DoA를 추정한다.
• 반복 목표물 제거 알고리즘을 제안하여 빔 사이드로브로 인한 가짜 탐지 문제를 해결하며, 거리 및 속도 차이에 대한 임계값(εr = Δr, εv = 3Δv)을 적용한다.
• 다중 목표물 추적에 대해 최적의 부분패턴 할당(OSPA) 지표를 사용해 성능을 평가하며, 다양한 감지 전력 비율(ρ)에 대해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 실제 5G NR 파arameter를 기반으로 시스템 수준 시뮬레이션을 수행하였으며, BS 및 UE에 50개 요소를 가진 균일선형어레이(ULAs)를 사용하여 28 GHz mmWave 및 sub-6 GHz 대역을 대상으로 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 감지에 할당된 전송 전력 비율(ρ)이 JSC 시스템에서 다수 목표물의 감지 및 정위치 추정 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 DoA 추정 정확도가 5G NR 기반 JSC 시스템에서 전체 목표물 위치 및 속도 추정 오차에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 제안된 반복 목표물 제거 알고리즘이 빔 사이드로브로 인한 가짜 탐지 제거에 얼마나 효과적인가?
• RQ4 동일한 감지 전력 할당 조건에서 sub-6 GHz 및 mmWave 대역 간 시스템 성능 지표(예: OSPA, RMSE)는 어떻게 달라지는가?
• RQ5 LOS 환경에서 다수의 목표물이 존재할 경우, 도달 가능한 정위치 추정 정밀도와 기수 추정 성능은 어떠한가?

주요 결과

• ρ = 0.3(30% 감지 전력)일 때, N_dir = 60 방향에서 평균 OSPA 지표가 3미터 이하이며, 20번째 백분위수는 약 1미터로 나타나 다수 목표물 정위치 추정의 높은 신뢰성을 입증한다.
• ρ = 0.1일 경우 ρ = 0.3에 비해 위치 추정의 제곱근 평균 제곱오차(RMSE)가 크게 악화되며, 특히 50미터 이상의 거리에서 두드러진다. 이는 감지 전력의 영향력이 크다는 것을 확인한다.
• DoA 추정이 목표물 위치 추정 오차의 주요 원인로 규명되었으며, 더 높은 도플러 해상도 덕분에 속도 추정은 더 견고한 편이다.
• mmWave(28 GHz) 대역에서는 충분한 감지 전력으로 안정적인 DoA 추정이 가능하므로, 중간 크기의 어레이를 사용하더라도 수십 개의 목표물에 대해 수미터 이내 정밀도를 확보할 수 있다.
• sub-6 GHz 대역은 더 긴 범위에서 감지가 가능하지만, 적은 안테나 요소로 인한 낮은 공간 해상도로 정밀도가 떨어지며, 높은 경로 손실 내성에도 불구하고 이는 불리한 영향을 미친다.
• 반복 목표물 제거 알고리즘은 εv = 3Δv 및 εr = Δr 조건에서 효과적으로 허위 탐지, 특히 UE 거리에 집중된 탐지를 제거하며, ρ = 0.3일 경우 평균 기수 오차를 한 개 이하로 줄였다.