[論文レビュー] Integrated Sensing and Communications: Towards Dual-functional Wireless Networks for 6G and Beyond

Fan Liu, Yuanhao Cui+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2021

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用数 62

ひとこと要約

本論文は統合センサリングと通信（ISAC）の歴史、アーキテクチャ、性能トレードオフ、波形設計・受信機設計、そして6Gおよびそれ以降に向けたデュアル機能無線ネットワークを実現するためのネットワークレベルの相互支援を含むISACの総合的な概観を提供する。

ABSTRACT

As the standardization of 5G is being solidified, researchers are speculating what 6G will be. Integrating sensing functionality is emerging as a key feature of the 6G Radio Access Network (RAN), allowing to exploit the dense cell infrastructure of 5G for constructing a perceptive network. In this paper, we provide a comprehensive overview on the background, range of key applications and state-of-the-art approaches of Integrated Sensing and Communications (ISAC). We commence by discussing the interplay between sensing and communications (S&C) from a historical point of view, and then consider multiple facets of ISAC and its performance gains. By introducing both ongoing and potential use cases, we shed light on industrial progress and standardization activities related to ISAC. We analyze a number of performance tradeoffs between S&C, spanning from information theoretical limits, tradeoffs in physical layer performance, to the tradeoff in cross-layer designs. Next, we discuss signal processing aspects of ISAC, namely ISAC waveform design and receive signal processing. As a step further, we provide our vision on the deeper integration between S&C within the framework of perceptive networks, where the two functionalities are expected to mutually assist each other, i.e., communication-assisted sensing and sensing-assisted communications. Finally, we summarize the paper by identifying the potential integration between ISAC and other emerging communication technologies, and their positive impact on the future of wireless networks.

研究の動機と目的

• 次世代ネットワークにおけるセンシングと通信の統合としてISACパラダイムを動機づける。
• ISACに関連する主要なアプリケーション、産業界の進展、および標準化活動を網羅する。
• センシングと通信性能の基本的かつ クロス層のトレードオフを分析する。
• ISACの波形設計と受信処理を含む信号処理の側面について考察する。
• センシングと通信が相互に支援し合う知覚的ネットワークのビジョンを提案する。）

提案手法

• ISACに向かうレーダと通信の歴史的発展と統合を概観する。
• ISACアーキテクチャをセンシング中心と通信中心の設計に分類し、トレードオフを議論する。
• ISACの情報理論的および物理層パフォーマンスのトレードオフを概説する。
• ISACの波形設計と受信処理手法をレビューする。
• センシングと通信のクロスレイヤー間の相互支援という知覚的ネットワークの概念を紹介する。
• 産業界の進展、ユースケース、そして新興技術との潜在的統合を強調する。）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ISACシステムにおけるセンシングと通信の基本的な性能トレードオフは何か？
• RQ2 デュアル機能を支援するために波形設計と受信処理をどのように最適化できるか？
• RQ3 6Gの開発を形づくる産業用途と標準化の取り組みは何か？
• RQ4 センシング支援通信と通信支援センシングを知覚的ネットワーク内でいかに実現できるか？
• RQ5 ISACが5G超/6Gアーキテクチャおよび関連技術に与える潜在的影響は何か？

主な発見

• ISACはデュアル目的のためにワイヤレス資源を共有することにより統合と協調の利得を達成できる。
• センシングと通信が類似のハードウェア、チャネル、信号処理を活用する収束傾向があり、特に大規模アレーを用いたmmWaveで顕著である。
• ハイブリッドアナログ-デジタル（HAD）アーキテクチャは、ISACフロントエンドをサポートするスケーラブルなミリ波MIMO/ミリ波レーダを実現する。
• センシング支援ビームトレーニング、追跡、資源割り当ては、ネットワークのシグナリングオーバーヘッドを大幅に削減できる。
• 産業界の進展と標準化活動は、6G以降におけるISACの機運の高まりを示している。
• 知覚的ネットワークはセンシングと通信を概念的に統合し、遍在的で環境を意識したサービスを構築する。