[論文レビュー] Intelligent Reflecting Surface Assisted Integrated Sensing and Communications for mmWave Channels

Zhengyu Zhu, Zheng Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ミリ波（mmWave）帯における知能反射表面（IRS）支援統合センシングおよび通信（ISAC）システムを提案し、レーダ信号の共分散、通信ビームフォーミング、およびIRSの位相シフトを共同最適化することで、合計スループットを最大化するとともに、センシングと通信の性能をバランスさせる。閉形式解と二次変換、マジョライゼーション最小化、多様体最適化を用いた逐次最適化手法が提案され、IRSが計算複雑性を低く抑えつつISAC性能を顕著に向上させることを示している。

ABSTRACT

This paper proposes an intelligent reflecting surface (IRS) assisted integrated sensing and communication (ISAC) system operating at the millimeter-wave (mmWave) band. Specifically, the ISAC system combines communication and radar operations and performs, detecting and communicating simultaneously with multiple targets and users. The IRS dynamically controls the amplitude or phase of the radio signal via reflecting elements to reconfigure the radio propagation environment and enhance the transmission rate of the ISAC system. By jointly designing the radar signal covariance (RSC) matrix, the beamforming vector of the communication system, and the IRS phase shift, the ISAC system transmission rate can be improved while matching the desired waveform for radar. The problem is non-convex due to multivariate coupling, and thus we decompose it into two separate subproblems. First, a closed-form solution of the RSC matrix is derived from the desired radar waveform. Next, the quadratic transformation (QT) technique is applied to the subproblem, and then alternating optimization (AO) is employed to determine the communication beamforming vector and the IRS phase shift. For computing the IRS phase shift, we adopt both the majorization minimization (MM) and the manifold optimization (MO). Also, we derive a closed-form solution for the formulated problem, effectively decreasing computational complexity. Furthermore, a trade-off factor is introduced to balance the performance of communication and sensing. Finally, the simulations verify the effectiveness of the algorithm and demonstrate that the IRS can improve the performance of the ISAC system.

研究の動機と目的

• B5G/6GのmmWave ISACシステムにおけるスペクトル不足と高コストなハードウェアの課題に対処すること。
• 低コストなIRSを用いて無線伝搬環境を再構成し、mmWave帯におけるISAC性能を向上させること。
• 合計スループットの最大化を目的として、レーダ信号の共分散、通信ビームフォーミング、およびIRSの位相シフトを共同最適化すること。
• システム重み係数を用いて通信とレーダの性能のトレードオフをバランスさせること。
• 閉形式解と効率的な最適化手法を用いて計算複雑性を低減すること。

提案手法

• mmWave ISACにおけるレーダ信号共分散行列（RSC）、通信ビームフォーミングベクトル、およびIRS位相シフトの共同最適化フレームワークを提案する。
• 所望のレーダ波形に基づき、波形整合性を確保するためのRSC行列の閉形式解を導出する。
• 非凸問題を扱いやすい部分問題に再定式化するため、二次変換（QT）を適用する。
• ビームフォーミングとIRS位相シフトを繰り返し最適化するための逐次最適化（AO）を用いる。
• 効率的なIRS位相シフト計算のため、マジョライゼーション最小化（MM）と多様体最適化（MO）を採用する。
• 通信合計スループットとレーダ検出性能のトレードオフを制御するためのパラメータλを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSを活用することで、レーダ性能を維持しつつmmWave ISACシステムの合計スループットをどのように向上させられるか？
• RQ2 IRS支援ISACシステムにおける、レーダ信号共分散、ビームフォーミング、およびIRS位相シフトの最適な共同設計は何か？
• RQ3 トレードオフパラメータλが通信とセンシング性能のバランスに与える影響は何か？
• RQ4 IRS位相シフトの分解能（Bビット）が合計スループットおよび連続位相と比較した性能ギャップに与える影響は何か？
• RQ5 IRS要素数と通信アンテナ数がシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• 提案されたIRS支援ISACシステムは、特にIRS反射素子数が多い場合に顕著な合計スループット向上を達成する。
• 通信アンテナ数を増やすのと比較して、IRS要素数を増やすことで合計スループットの向上がより顕著に効果的である。
• 高いシステム重み係数λ（通信を優先）では、低SNR領域でレーダ検出確率が低下する傾向を示す。
• レーダSNRが13 dBを超えると、λの値に関わらず検出確率が高く維持されるため、トレードオフパラメータに対する感度が低下する。
• 位相分解能Bが増加するにつれて、連続位相と離散位相の性能ギャップが縮小し、B=3ビットでほぼ最適性能に達する。
• 閉形式解とMM/MOに基づく最適化により、計算複雑性を顕著に低減しつつも、高いシステム性能を維持できる。