[論文レビュー] Integrated Sensing and Communications with Reconfigurable Intelligent Surfaces

Sundeep Prabhakar Chepuri, Nir Shlezinger+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、ミリ波/テラヘルツ帯における通信の信頼性とセンシング性能の両方を向上させるために、再構成可能インテリジェント表面（RIS）と統合センシング・コミュニケーション（ISAC）を新規に統合する手法を提案する。RISを用いて通信チャネルとセンシングチャネルの結合を制御することで、エネルギー効率とシステム性能の向上を図る共同最適化が可能となり、特に視線外（NLoS）環境において顕著な効果を示す。

ABSTRACT

Integrated sensing and communications (ISAC) are envisioned to be an integral part of future wireless networks, especially when operating at the millimeter-wave (mmWave) and terahertz (THz) frequency bands. However, establishing wireless connections at these high frequencies is quite challenging, mainly due to the penetrating pathloss that prevents reliable communication and sensing. Another emerging technology for next-generation wireless systems is reconfigurable intelligent surfaces (RISs), which are capable of modifying harsh propagation environments. RISs are the focus of growing research and industrial attention, bringing forth the vision of smart and programmable signal propagation environments. In this article, we provide a tutorial-style overview of the applications and benefits of RISs for sensing functionalities in general, and for ISAC systems in particular. We highlight the potential advantages when fusing these two emerging technologies, and identify for the first time that: i) joint sensing and communications designs are most beneficial when the channels referring to these operations are coupled, and that ii) RISs offer means for controlling this beneficial coupling. The usefulness of RIS-aided ISAC goes beyond the individual obvious gains of each of these technologies in both performance and power efficiency. We also discuss the main signal processing challenges and future research directions which arise from the fusion of these two emerging technologies.

研究の動機と目的

• ミリ波およびテラヘルツ帯における深刻な経路損失が通信およびセンシングの信頼性を低下させるという課題に対処する。
• RISとISACの相乗効果を調査し、プログラマブルでエネルギー効率の高い伝搬環境を構築する。
• 通信チャネルとセンシングチャネルが結合されている状況において、共同センシングおよび通信設計が最も効果を発揮する条件を同定する。
• RISとISACの統合に伴う信号処理の課題（ハードウェア制約や移動性の考慮事項など）に対処する。
• 将来のRIS支援ISACの研究方向性を検討する。具体的には、ハードウェア設計、展開戦略、および移動環境における動的制御を含む。

提案手法

• RISを用いて反射係数を調整することで、伝搬環境を制御するMIMOベースのISACシステムモデルを構築する。
• RISを活用し、通信チャネルとセンシングチャネルの間で有益な結合を誘発することで、ビームフォーミングと波形設計の共同最適化を実現する。
• OFDM、OTFS、インデックス変調などの高度な変調技術を活用し、ISACにおける二重機能伝送を支援する。
• 移動対象物のセンシングにドップラーおよびクラッターモデルを組み込み、FMCWなどの波形を適応させてセンシング分解能を向上させる。
• ハイブリッドアナログ/デジタルおよびホログラフィックMIMOアーキテクチャを統合し、ハードウェア複雑性を低減しつつ大規模アレイをサポートする。
• 時間変動環境におけるチャネル推定とビームフォーミングに与えるRISの移動性および動的設定の影響をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RISはISACシステムにおいて、通信チャネルとセンシングチャネルの間の結合をどのように強化できるか？
• RQ2 RIS支援ISACにおける通信性能とセンシング性能の根本的トレードオフは何か。また、これらを最適化する方法は？
• RQ3 RISの移動性または移動対象物の移動性は、ISACにおける共同ビームフォーミングおよび反射制御設計にどのように影響を与えるか？
• RQ4 二重機能センシングおよび通信を支援するためのRISに求められる主なハードウェアおよびシステムレベル要件は何か？
• RQ5 複数のRISを共同で展開・制御することで、ISACシステムにおけるセンシングおよび通信性能をどのように向上できるか？

主な発見

• 通信チャネルとセンシングチャネルが結合されている状況では、共同センシングおよび通信設計が最も効果的であり、RISはこの結合を能動的に制御する手段を提供する。
• RIS支援ISACは、制御可能な反射経路を形成することで、ミリ波およびテラヘルツ帯における深刻な経路損失を克服し、視線外（NLoS）環境でも性能を著しく向上させる。
• RISとISACの統合により、エネルギー効率的で低複雑性の信号伝搬制御が可能となり、アクティブRFチェーンへの依存度が低下する。
• RISの導入は、特に密集または遮蔽された環境において、通信の信頼性とセンシングの正確性の両方を向上させる。
• 将来的なRIS支援ISACシステムでは、移動環境における共同軌道設計とビームフォーミングが、追跡精度と接続性の向上に寄与する。
• ハイブリッドパassive/active RISなどのハードウェア革新が登場し、同時にセンシングと通信機能を実現するための新たなシステム能力を可能にしている。