[论文解读] Joint Communication and Sensing in RIS-enabled mmWave Networks

Lu Wang, Luis F. Abanto‐Leon+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种在太赫兹波（mmWave）网络中通过可重构智能表面（RIS）增强的联合通信与感知（JCAS）框架，利用混合波束成形和RIS相位偏移，最小化波束成形均方误差（MSE），同时满足信干噪比（SINR）和功率约束。基于流形的交替方向乘子法（ADMM）结合惩罚法，实现了有效的非凸优化，显著提升了感知方向性和通信可靠性，尤其在更大规模RIS下表现更优。

ABSTRACT

Empowering cellular networks with augmented sensing capabilities is one of the key research areas in 6G communication systems. Recently, we have witnessed a plethora of efforts to devise solutions that integrate sensing capabilities into communication systems, i.e., joint communication and sensing (JCAS). However, most prior works do not consider the impact of reconfigurable intelligent surfaces (RISs) on JCAS systems, especially at millimeter-wave (mmWave) bands. Given that RISs are expected to become an integral part of cellular systems, it is important to investigate their potential in cellular networks beyond communication goals. In this paper, we study mmWave orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) JCAS systems in the presence of RISs. Specifically, we jointly design the hybrid beamforming and RIS phase shifts to guarantee the sensing functionalities via minimizing a chordal-distance metric, subject to signal-to-interference-plus-noise (SINR) and power constraints. The non-convexity of the investigated problem poses a challenge which we address by proposing a solution based on the penalty method and manifold-based alternating direction method of multipliers (ADMM). Simulation results demonstrate that under various settings both sensing and communication experience improved performance when the RIS is adequately designed. In addition, we discuss the tradeoff between sensing and communication.

研究动机与目标

• 为解决mmWave系统中RIS与JCAS集成不足的问题，特别是针对混合波束成形和RIS相位控制的协同优化问题。
• 联合优化混合波束成形与RIS相位偏移，以同时提升通信的SINR与感知波束成形精度。
• 将RIS处的波束成形MSE最小化作为感知性能的代理指标，同时满足实际的功率与SINR约束。
• 为非凸、高维的mmWave JCAS系统中的联合优化问题，开发一种可扩展的解决方案。

提出的方法

• 建立一个非凸优化问题，以最小化RIS处的波束成形MSE，同时满足用户级SINR和总发射功率约束。
• 引入一个辅助变量，解耦RIS相位偏移与波束成形设计，实现迭代优化。
• 采用惩罚法处理RIS相位偏移的非凸等式约束，将其转化为无约束的惩罚项。
• 在Stiefel流形上使用基于流形的交替方向乘子法（ADMM），高效求解优化问题。
• 采用与当前蜂窝系统兼容的OFDM波形，确保实际部署的可行性。
• 通过黎曼优化迭代更新混合波束成形器与RIS相位偏移，收敛至高质量解。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化RIS与混合波束成形，以在mmWave JCAS系统中同时提升感知与通信性能？
• RQ2 RIS的尺寸与配置对感知精度与通信可靠性之间的权衡有何影响？
• RQ3 所提出的优化方法与基线方案（如固定或随机RIS相位偏移）相比，在SINR可行性与波束成形MSE方面表现如何？
• RQ4 在不同信噪比（SNR）与SINR阈值下，感知与通信之间的性能权衡如何变化？
• RQ5 所提出的基于流形的ADMM算法能否在实际mmWave JCAS部署中有效求解非凸联合优化问题？

主要发现

• 在19 dB SNR下，当波束成形MSE降低1.56 dB时，所提方案相比'FDB with RIS'基线方案，SINR可行性比率提高21%。
• 在19 dB SNR下，将SNR提升至25 dB，平均SINR增益达1.61 dB，波束成形MSE增加2.94 dB，表明通信与感知之间存在权衡关系。
• 当SINR阈值超过12 dB后，SINR可行性比率急剧下降，但所提方案由于收敛性能更优，维持可行性的时间更长。
• 波束成形MSE随SNR升高而降低，因为更多发射功率可用于感知优化。
• 更大的RIS尺寸显著提升了感知性能（更低的MSE）与通信可靠性（更高的可行性比率）。
• 随机RIS相位偏移导致SINR接近零，证实RIS配置对通信性能具有决定性影响。