[논문 리뷰] Waveform Design and Performance Analysis for Full-Duplex Integrated Sensing and Communication

Xiao Zhiqiang, Yong Zeng|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 14.

Radar Systems and Signal Processing인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고속 통신과 향상된 감지 성능을 가능하게 하면서도 고전적인 펄스 레이더 웨이브포맷과 전용 통신 신호를 시간분할 multiplexing하는 풀드럭스 통합 감지 및 통신(FD-ISAC) 웨이브포맷을 제안한다. 레이더 웨이브포맷의 자기상관 특성을 유지하면서 풀드럭스 운영을 활용함으로써, 자기간섭이 효과적으로 억제되는 조건에서 통신 스펙트럼 효율성과 목표 탐지 확률에 상당한 향상을 이룬다. 이는 자가 eclipsing 및 블라인드 레인지 문제를 완화함으로써 달성된다.

ABSTRACT

Integrated sensing and communication (ISAC) is a promising technology to fully utilize the precious spectrum and hardware in wireless systems, which has attracted significant attentions recently. This paper studies ISAC for the important and challenging monostatic setup, where one single ISAC node wishes to simultaneously sense a radar target while communicating with a communication receiver. Different from most existing schemes that rely on either radar-centric half-duplex (HD) pulsed transmission with information embedding that suffers from extremely low communication rate, or communication-centric waveform that suffers from degraded sensing performance, we propose a novel full-duplex (FD) ISAC scheme that utilizes the waiting time of conventional pulsed radars to transmit dedicated communication signals. Compared to radar-centric pulsed waveform with information embedding, the proposed design can drastically increase the communication rate, and also mitigate the sensing eclipsing and near-target blind range issues, as long as the self-interference (SI) is effectively suppressed. On the other hand, compared to communication-centric ISAC waveform, the proposed design has better auto-correlation property as it preserves the classic radar waveform for sensing. Performance analysis is developed by taking into account the residual SI, in terms of the probability of detection and ambiguity function for sensing, as well as the spectrum efficiency for communication. Numerical results are provided to show the significant performance gain of our proposed design over benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 단일계통 통합 감지 및 통신(ISAC) 시스템에서 통신 속도와 감지 성능 사이의 상충관계를 해결하기 위해.
• 낮은 통신 속도를 가지는 레이더 중심의 허프드럭스 기법과 낮은 감지 해상도를 가진 통신 중심 웨이브포맷의 한계를 극복하기 위해.
• 고전적인 레이더 웨이브포맷의 자기상관 특성을 유지하면서 고속 통신을 지원하는 풀드럭스 ISAC 웨이브포맷을 설계하기 위해.
• 잔류 자기간섭 하에서 제안된 FD-ISAC 시스템의 성능을 분석하여 탐지 확률, 애매함 함수, 스펙트럼 효율성에 중점을 두기 위해.

제안 방법

• 제안된 FD-ISAC 웨이브포맷은 레이더의 대기 간격 동안 기존의 펄스 레이더 신호와 전용 통신 신호를 시간분할 multiplexing한다.
• 감지에 대해 선형 주파수 변조(LFM) 웨이브포맷을 사용하여 뛰어난 자기상관 및 거리 해상도 특성을 유지한다.
• 레이더 펄스 간 간격에 통신 심볼을 직교 스프레딩 시퀀스를 갖는 펄스 성형 함수를 사용하여 삽입한다.
• 시스템 모델은 잔류 자기간섭을 고려하며, 성능 지표는 매치드 필터링과 신호-간섭-추가노이즈비(SINR) 분석을 통해 유도된다.
• 탐지 확률과 애매함 함수는 매치드 필터 출력과 잔류 간섭 전력 기반으로 유도된다.
• 스펙트럼 효율성은 펄스 간 간격 동안 전송된 통신 신호의 데이터 전송률을 모델링하여 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풀드럭스 운영을 어떻게 활용하여 단일계통 ISAC 시스템에서 레이더 감지 성능을 저하시키지 않고 통신 속도를 높일 수 있는가?
• RQ2 잔류 자기간섭이 제안된 FD-ISAC 웨이브포맷의 탐지 확률과 애매함 함수에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 제안된 웨이브포맷은 레이더 중심 및 통신 중심 ISAC 기법에 비해 스펙트럼 효율성과 감지 해상도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 제안된 기법은 기존 펄스 레이더 시스템에서 흔히 발생하는 eclipsing 및 근접 타겟 블라인드 레인지 문제를 완화할 수 있는가?
• RQ5 실제 자기간섭 조건 하에서 제안된 FD-ISAC 웨이브포맷의 탐지 확률과 통신 속도 향상 정도는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 FD-ISAC 웨이브포맷은 레이더 펄스 간격 동안 풀드럭스 전송을 활용함으로써, 정보 임베딩이 가능한 레이더 중심의 허프드럭스 기법보다 상당히 높은 통신 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• LFM 웨이브포맷이 그 유리한 자기상관 및 거리 해상도 특성을 유지하므로 뛰어난 감지 성능을 유지를 한다.
• 특히 낮은 SINR 환경에서, 시간 도메인을 전면적으로 활용함으로써 허프드럭스 기법 대비 탐지 확률이 향상된다.
• 제안된 웨이브포맷의 애매함 함수는 기존의 LFM 웨이브포맷과 거의 일치하여 감지 해상도에 대한 열악한 영향이 최소화됨을 나타낸다.
• 수치 결과는 자기간섭이 효과적으로 억제되는 조건에서, 제안된 기법이 레이더 중심 및 통신 중심 기준 대비 통신 속도와 탐지 성능 측면에서 모두 뛰어난 성능을 보임을 보여준다.
• 지속적인 전송과 감지를 가능하게 함으로써, 펄스 레이더 시스템에서 흔히 발생하는 eclipsing 및 근접 타겟 블라인드 레인지 문제를 효과적으로 완화한다.