[论文解读] Beamforming in Integrated Sensing and Communication Systems with Reconfigurable Intelligent Surfaces

R. S. Prasobh Sankar, Sundeep Prabhakar Chepuri+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型波束成形与可重构智能表面（RIS）相位偏移设计，用于集成感知与通信（ISAC）系统，采用单个RIS提升通信性能，或采用双RIS实现通信与雷达性能的联合优化。该方法结合交替优化、半定规划与Dinkelbach迭代，显著提升了用户公平性与目标照射性能，尤其在直视链路被阻塞时表现突出。

ABSTRACT

We consider transmit beamforming and reflection pattern design in reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted integrated sensing and communication (ISAC) systems to jointly precode communication symbols and radar waveforms. We treat two settings of multiple users and targets. In the first, we use a single RIS to enhance the communication performance of the ISAC system and design beams with good cross-correlation properties to match a desired beam pattern while guaranteeing a desired signal-to-interference plus noise ratio (SINR) for each user. In the second setting, we use two dedicated RISs to aid the ISAC system, wherein the beams are designed to maximize the worst-case target illumination power while guaranteeing a desired SINR for each user. We propose solvers based on alternating optimization as the design problems in both cases are non-convex optimization problems. Through a number of numerical simulations, we demonstrate the advantages of RIS-assisted ISAC systems. In particular, we show that the proposed single-RIS assisted ISAC system improves the minimum user SINR while suffering from a moderate loss in radar target illumination power. On the other hand, the dual-RIS assisted ISAC system improves both minimum user SINR as well as worst-case target illumination power at the targets, especially when the users and targets are not directly visible.

研究动机与目标

• 解决毫米波频段中由于路径损耗导致用户或目标的直视（LoS）链路被阻塞时ISAC系统性能下降的问题。
• 设计发射波束成形与RIS相位偏移，联合优化通信公平性（SINR）与雷达目标照射功率。
• 探索两种配置：使用单个RIS以增强通信性能，以及使用双专用RIS以同时支持通信与雷达。
• 为满足实际硬件约束，开发高效的非凸优化求解器，用于波束成形与RIS相位偏移设计。

提出的方法

• 采用交替优化方法解耦波束成形与RIS相位偏移设计，迭代求解各子问题。
• 在RIS相位偏移固定时，通过半定松弛（SDR）求解波束成形设计，以处理SINR与波束成形图匹配的非凸约束。
• 在波束成形固定时，采用广义Dinkelbach迭代设计通信-RIS相位偏移，以最大化公平性SINR。
• 在波束成形固定时，通过半定规划结合高斯随机化方法设计雷达-RIS相位偏移，以最大化最坏情况下的目标照射功率。
• 采用两阶段优化：首先在RIS相位偏移固定时优化波束成形，然后在波束成形固定时优化RIS相位偏移，交替进行直至收敛。
• 考虑单RIS（仅通信）与双RIS（专用通信与雷达RIS）两种配置，以比较性能权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个RIS是否可用于在保持可接受雷达性能的同时提升ISAC系统中的用户公平性？
• RQ2 双专用RIS（一个用于通信，一个用于雷达）是否能显著提升通信SINR与最坏情况下的目标照射功率，特别是在非直视场景中？
• RQ3 所提出的波束成形与RIS相位偏移设计相较于采用手动选择或固定RIS相位的基准方案，性能表现如何？
• RQ4 RIS单元数量与非直视目标数量对系统性能有何影响？
• RQ5 提高SINR要求如何影响通信公平性与雷达照射之间的权衡？

主要发现

• 在基准方案对比下，单RIS ISAC系统将最小用户SINR提升了高达12 dB，同时最坏情况下的目标照射功率仅损失约3 dB。
• 当目标无法被DFBS直接观测时，双RIS ISAC系统实现的最坏情况目标照射功率比次优基准方案高出超过12 dB。
• 当所有目标均可直接可见（T_d = 5）时，所有方案性能相近，但所提方法仍表现出微弱性能优势。
• 随着RIS单元数量的增加，由于RIS阵列增益提升，用户公平性SINR与最坏情况目标照射功率均得到改善。
• 即使用户直视路径被阻塞，所提方案仍能保持最低5 dB的用户SINR，表明其在非直视环境中的鲁棒性。
• 双RIS配置显著优于单RIS与手动RIS相位选择方案，尤其在直视路径被阻塞的场景中，得益于雷达与通信的专用波束成形。