[論文レビュー] Coverage and Rate of Joint Communication and Parameter Estimation in Wireless Networks

Nicholas R. Olson, Jeffrey G. Andrews+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2022

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 49被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ミリ波ネットワークにおける共同通信・センシング（JCAS）を分析するための新しい情報理論的枠組みを導入し、相互情報量を用いてセンシングカバレッジ確率およびエルゴディックレートを定義する。スティッチャスティックジオメトリを用いて、カバレッジおよびレートに関する解析可能な境界を導出し、ネットワークの高密度化がセンシングSINRを向上させることを明らかにした—これは従来の通信専用システムとは異なり、逆に通信SINRが向上しない場合があることと対照的である。

ABSTRACT

From an information theoretic perspective, joint communication and sensing (JCAS) represents a natural generalization of communication network functionality. However, it requires the re-evaluation of network performance from a multi-objective perspective. We develop a novel mathematical framework for characterizing the sensing and communication coverage probability and ergodic rate in JCAS networks. We employ a formulation of sensing parameter estimation based on mutual information to extend the notions of coverage probability and ergodic rate to the radar setting. We define sensing coverage probability as the probability that the rate of information extracted about the parameters of interest associated with a typical radar target exceeds some threshold, and sensing ergodic rate as the spatial average of the aforementioned rate of information. Using this framework, we analyze the downlink sensing and communication coverage and rate of a mmWave JCAS network employing a shared waveform, directional beamforming, and monostatic sensing. Leveraging tools from stochastic geometry, we derive upper and lower bounds for these quantities. We also develop several general technical results including: i) a generic method for obtaining closed form upper and lower bounds on the Laplace Transform of a shot noise process, ii) a new analog of H{ö}lder's Inequality to the setting of harmonic means, and iii) a relation between the Laplace and Mellin Transforms of a non-negative random variable. We use the derived bounds to numerically investigate the performance of JCAS networks under varying base station and blockage density. Among several insights, our numerical analysis indicates that network densification improves sensing SINR performance -- in contrast to communications.

研究の動機と目的

• 共同通信・センシング（JCAS）ネットワークのマルチ目的な視点からの体系的性能解析の欠如に対処すること。
• 情報理論を用いて、従来の通信指標（カバレッジ確率およびエルゴディックレート）をレーダー・センシング分野へ拡張すること。
• ターゲットパラメータに関する情報抽出レートを相互情報量によって定義することで、センシング性能をモデル化・定量化すること。
• 共有波形、指向性ビームフォーミング、モノスタティックセンシングを伴うミリ波ネットワークにおける通信とセンシングのトレードオフを分析すること。
• スティッチャスティックジオメトリおよび新しい解析的手法を用いて、干渉および遮断を考慮したJCASネットワークのカバレッジおよびレート性能の解析可能な数学的境界を導出すること。

提案手法

• センシングカバレッジ確率を、ターゲットパラメータに関する相互情報量レートがしきい値を超える確率として定式化する。
• センシングエルゴディックレートを、センシングターゲットとそのパラメータ間の相互情報量レートの空間平均として定義する。
• ミリ波JCASネットワークのダウンリンクにおいて、基地局および遮断プロセスをポアソン点過程としてモデル化する。
• 一般のショットノイズ強度に適用可能な汎用的手法を用いて、ショットノイズ過程のラプラス変換の上界および下界を導出する。
• 関数の調和平均のL1ノルムをタイトに評価するための、ホルダーの不等式の新しい類似形を導入する。
• 非負の確率変数のラプラス変換とメリン変換の間の新しい関係を確立し、性能解析のための変換の逆算を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 情報理論的指標を用いて、通信からセンシングへのカバレッジ確率およびエルゴディックレートの一般化はどのように可能か？
• RQ2 共有ミリ波波形システムにおける通信とセンシング性能の根本的トレードオフは何か？
• RQ3 ネットワークの高密度化は、通信SINRとは対照的に、JCASネットワークにおけるセンシングSINR性能にどのように影響するか？
• RQ4 干渉および遮断を考慮したJCASネットワークのカバレッジおよびレート性能を解析可能に束縛するために必要な解析的手法は何か？
• RQ5 確率的ジオメトリと情報理論を用いて、通信とセンシング性能を統合的に定量化するフレームワークを構築できるか？

主な発見

• 本稿は、相互情報量に基づくセンシングカバレッジ確率およびエルゴディックレートを定義する形式的なフレームワークを確立し、通信指標との直接的な比較を可能にした。
• ショットノイズ過程のラプラス変換の閉形式上界および下界を導出する汎用的手法が得られ、これは干渉モデル化において極めて重要である。
• 確率関数の調和平均のL1ノルムをタイトに評価するための、ホルダーの不等式に類似した新しい不等式が開発された。
• 非負の確率変数のラプラス変換とメリン変換の間の根本的関係が証明され、メリン逆変換を用いてラプラス変換を計算可能となった。
• 数値結果から、基地局の密度を増加させることでセンシングSINR性能が向上することが示され、これは従来の通信ネットワークとは対照的で、密度化が必ずしもSINR向上をもたらさない場合があることと対照的である。
• 導出された境界が、遮断および基地局密度の変動にわたってタイトであり、mmWave JCAS展開における性能評価に有用であることが示された。