[論文レビュー] Full Duplex Joint Communications and Sensing for 6G: Opportunities and Challenges

Chandan Kumar Sheemar, Sourabh Solanki+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2023

Full-Duplex Wireless CommunicationsEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、上行リンクおよび下行リンクのユーザーを統合し、単一レーダーおよびマルチバイステートレーダー構成を備えたフルデュプレックス共同通信・センシング（JCAS）システムを提案する。これにより、同時に高速通信と強化されたセンシングが可能となる。この手法はスペクトル効率を2倍に向上させ、融合されたレーダー検出により方向性の到来（DoA）推定精度が向上し、単一レーダーのみのシステムと比較して平均二乗誤差（MSE）を最大60％まで低減する。

ABSTRACT

The paradigm of joint communications and sensing (JCAS) envisions a revolutionary integration of communication and radar functionalities within a unified hardware platform. This novel concept not only opens up unprecedented interoperability opportunities, but also exhibits unique design challenges. To this end, the success of JCAS is highly dependent on efficient full-duplex (FD) operation, which has the potential to enable simultaneous transmission and reception within the same frequency band. While JCAS research is lately expanding, there still exist relevant directions of investigation that hold tremendous potential to profoundly transform the sixth generation (6G), and beyond, cellular networks. This article presents new opportunities and challenges brought up by FD-enabled JCAS, taking into account the key technical peculiarities of FD systems. Unlike simplified JCAS scenarios, we delve into the most comprehensive configuration, encompassing uplink and downlink users, as well as monostatic and bistatic radars, all harmoniously coexisting to jointly push the boundaries of both communications and sensing. The performance improvements resulting from this advancement bring forth numerous new challenges, each meticulously examined and expounded upon.

研究の動機と目的

• 既存のJCASシステムが半二重モードでのみ動作可能であるか、単一のレーダー形式（単一またはバイステート）に限定されているという制限を解消し、スペクトル効率とセンシング性能を制限する要因を除去すること。
• フルデュプレックス動作の潜在能力を最大限に引き出すために、同じ周波数帯域で上行リンクおよび下行リンク通信を同時に実行しながら、単一およびマルチバイステートレーダーの共同センシングを可能にする。
• 共有のスケジューリングとハードウェアプラットフォームで複数の通信およびセンシングリンクが共存する状況で生じる性能向上とシステムレベルの課題を調査すること。
• 実用的導入を阻害する主な技術的課題、特にTHz帯域における自己干渉（SI）とビームスキュイント効果を特定・分析すること。
• 低遅延、高セキュリティ、高スペクトル効率を実現する将来の6G JCASシステムの包括的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 15本の送信アンテナおよび12本の受信アンテナを備えたフルデュプレックスJCASベースステーション（BS）を提案し、同じ周波数帯域で上行リンク（UL）および下行リンク（DL）ユーザーを同時にサービス提供する。
• 自己干渉キャンセレーション（SIC）後に上行リンクデータストリームとセンシング信号を分離できるハイブリッド受信アーキテクチャを採用し、通信とセンシングの同時処理を可能にする。
• BSおよびすべてのユーザーに均一線形アレイ（ULAs）を採用し、MIMO構成により空間多重性と方向性の到来（DoA）推定を支援する。
• ±4°に位置する2つのターゲットの高分解能DoA推定に、多重信号分類（MUSIC）アルゴリズムを適用し、単一およびバイステートレーダーの戻り信号を併用する。
• フルデュプレックス動作に不可欠な、アナログおよびデジタル技術を組み合わせた自己干渉キャンセレーション（SIC）フレームワークを実装し、SI電力をノイズフロアに近づける。
• 固定された5 dBの送信SNR条件下で理想状態での数値評価を実施。上行リンクユーザーは200 mの円周上に配置され、下行リンクユーザーは4°方向のターゲット付近に配置され、ユーザー数は対称的である。

Figure 1: Benchmark JCAS architectures: a) HD communications and monostatic radar sensing, b) HD communications and bistatic radar sensing, c) HD communications with monostatic and bistatic radars sensing.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルデュプレックスJCASシステムに単一およびマルチバイステートレーダー構成を統合した場合、単一レーダー構成と比較してセンシング性能にどのような影響を与えるか？
• RQ2 フルデュプレックス動作により、JCASシステムで上行リンクおよび下行リンク通信を同時に実行した場合、得られるスペクトル効率の向上はどの程度か？
• RQ3 特にビームスキュイント効果が顕著な広帯域THz帯域において、自己干渉（SI）がフルデュプレックスJCASシステムの性能に与える影響は？
• RQ4 複数ユーザー、複数レーダーのフルデュプレックスマルチユーザーJCAS環境において、通信とセンシング性能を共同最適化するにあたり、主な信号処理およびリソース割り当ての課題は何か？
• RQ5 単一およびバイステートレーダーの戻り信号を統合することで、フルデュプレックスJCAS環境における方向性の到来（DoA）推定精度はどの程度向上するか？

主な発見

• 提案されたフルデュプレックスJCASシステムは、単一およびマルチバイステートレーダーを統合したセンシングにより、半二重モードシステムと比較して理論的に2倍のスペクトル効率向上を達成する。
• 単一およびバイステートレーダーの戻り信号を統合することで、DoA推定の平均二乗誤差（MSE）が最大60％低減され、シミュレーションで確認された。
• MUSIC推定器は、±4°に位置する2つのターゲットに対して高分解能のDoA推定を実現し、上行リンク（バイステート）ユーザー数が増加するにつれて性能が向上する。
• 自己干渉（SI）は依然として主要な課題であり、特にビームスキュイント効果が顕著な広帯域THzシステムでは、ビームフォーミングの正確性が低下し、残存SIが増加するため、性能に制限を及える。
• 現在の文献では、広帯域THzJCASシステムにおけるSIの包括的モデリングが不十分であり、新たな測定キャンペーンとSI特性の同定が急務であるという重要な研究ギャップが浮き彫りになっている。
• フルデュプレックス動作とマルチレーダー統合により、遅延とセキュリティの面で新たな利点が得られ、6Gネットワークの強力な候補となる。

Figure 2: FD JCAS with HD UL and DL users and monostatic and bistatic radars.