[论文解读] A Novel ISAC Transmission Framework based on Spatially-Spread Orthogonal Time Frequency Space Modulation

Shuangyang Li, Weijie Yuan+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2021

PAPR reduction in OFDM被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于空间扩展正交时频空间（SS-OTFS）调制的新型一体化感知与通信（ISAC）框架，通过空间扩展实现角度域离散化，实现了联合雷达感知与通信。该框架支持低复杂度波束跟踪、波达角估计与功率分配，同时仅利用雷达获取的时延、多普勒与角度估计即可实现符号级预编码，性能分析表明实际应用中应优先考虑雷达感知的功率分配。

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel integrated sensing and communication (ISAC) transmission framework based on the spatially-spread orthogonal time frequency space (SS-OTFS) modulation by considering the fact that communication channel strengths cannot be directly obtained from radar sensing. We first propose the concept of SS-OTFS modulation, where the key novelty is the angular domain discretization enabled by the spatial-spreading/de-spreading. This discretization gives rise to simple and insightful effective models for both radar sensing and communication, which result in simplified designs for the related estimation and detection problems. In particular, we design simple beam tracking, angle estimation, and power allocation schemes for radar sensing, by utilizing the special structure of the effective radar sensing matrix. Meanwhile, we provide a detailed analysis on the pair-wise error probability (PEP) for communication, which unveils the key conditions for both precoding and power allocation designs. Based on those conditions, we design a symbol-wise precoding scheme for communication based only on the delay, Doppler, and angle estimates from radar sensing, without the a priori knowledge of the communication channel fading coefficients, and also introduce the power allocation for communication. Furthermore, we notice that radar sensing and communication requires different power allocations. Therefore, we discuss the performances of both the radar sensing and communication with different power allocations and show that the power allocation should be designed leaning towards radar sensing in practical scenarios. The effectiveness of the proposed ISAC transmission framework is verified by our numerical results, which also agree with our analysis and discussions.

研究动机与目标

• 为解决毫米波频段雷达与通信系统之间的频谱拥塞与共存挑战。
• 利用雷达感知与通信之间的共享信道特性，实现联合波形设计。
• 基于SS-OTFS调制，设计一种低复杂度且高效的ISAC传输框架。
• 在无需信道衰落先验知识的前提下，仅利用雷达估计参数实现通信预编码。
• 优化雷达与通信的功率分配，表明以雷达为中心的分配策略可提升整体性能。

提出的方法

• 通过空间扩展与去扩展实现角度域离散化，引入空间扩展正交时频空间（SS-OTFS）调制。
• 基于结构化的SS-OTFS框架，推导雷达感知与通信的有效模型。
• 基于有效雷达感知矩阵结构，设计低复杂度波束跟踪与波达角估计方案。
• 仅利用雷达提供的时延、多普勒与角度估计，设计符号级预编码方案，避免对信道状态信息（CSI）的依赖。
• 基于误码概率（PEP）分析与设计条件，提出一种通信用的功率分配策略。
• 通过性能分析比较不同功率分配下雷达与通信的性能，结果表明雷达优化的功率分配可获得更优结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过SS-OTFS中的空间扩展实现角度域离散化，能否简化雷达与通信系统的联合设计？
• RQ2 如何利用雷达估计参数（时延、多普勒、角度）实现无需CSI的高效通信预编码？
• RQ3 在所提出的ISAC框架中，预编码与功率分配的关键设计条件是什么？
• RQ4 功率分配如何影响雷达感知与通信之间的性能权衡？
• RQ5 在实际ISAC系统中，是否将更多功率分配给雷达感知具有性能优势？

主要发现

• SS-OTFS框架通过利用角度域离散化，实现了高效的雷达与通信联合处理，简化了估计与检测问题。
• 有效雷达感知矩阵结构支持低复杂度波束跟踪与波达角估计，无需完整CSI信息。
• 仅利用雷达提供的时延、多普勒与角度估计，成功设计了通信预编码方案，消除了对衰落系数先验知识的需求。
• 基于误码概率（PEP）分析，揭示了通信链路中预编码与功率分配的关键设计条件。
• 数值结果证实，应将功率分配偏向雷达感知，以最大化整体系统性能。
• 所提框架实现了高性能的感知与通信，结果与理论分析及推导一致。