[论文解读] An IRS Backscatter Enabled Integrated Sensing, Communication and Computation System

Sai Xu, Yanan Du+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种无射频链上行链路传输（RFCF-UT）范式，利用智能反射面（IRS）背散射技术实现感知、通信与计算的融合（ISCC）。通过将IRS单元视为动态的二维码式调制器，全双工基站扫描反射信号以提取数据，在用户设备无需主动射频链路的情况下实现高谱效用。仿真结果验证了该方案在加权吞吐量容量（WTC）方面优于基准方案。

ABSTRACT

This paper proposes to leverage intelligent reflecting surface (IRS) backscatter to realize radio-frequency-chain-free uplink-transmissions (RFCF-UT). In this communication paradigm, IRS works as an information carrier, whose elements are capable of adjusting their amplitudes and phases to collaboratively portray an electromagnetic image like a dynamic quick response (QR) code, rather than a familiar reflection device, while a full-duplex base station (BS) is used as a scanner to collect and recognize the information on IRS. To elaborate it, an integrated sensing, communication and computation system as an example is presented, in which a dual-functional radar-communication BS simultaneously detects the target and collects the data from user equipments each connected to an IRS. Based on the established model, partial and binary data offloading strategies are respectively considered. By defining a performance metric named weighted throughput capacity (WTC), two maximization problems of WTC are formulated. According to the coupling degree of optimization variables in the objective function and the constraints, each optimization problem is firstly decomposed into two subproblems. Then, the methods of linear programming, fractional programming, integer programming and alternative optimization are developed to solve the subproblems. The simulation results demonstrate the achievable WTC of the considered system, thereby validating RFCF-UT.

研究动机与目标

• 通过将IRS作为无源信息载体，消除用户设备对射频链的需求。
• 设计一种集成感知、通信与计算（ISCC）系统，其中具备双重功能的雷达-通信（DFRC）基站通过IRS背散射同时支持目标检测与数据收集。
• 在能量与硬件约束下，通过联合波束成形与数据卸载策略优化系统性能。
• 通过加权吞吐量容量（WTC）验证IRS背散射在可行性与优越性方面相较于主动天线方案的优势。

提出的方法

• 提出一种新型通信范式——无射频链上行链路传输（RFCF-UT），其中IRS单元通过可调幅度与相位偏移调制数据，作为动态二维码运行。
• 采用全双工DFRC基站同时发射信号并接收经IRS调制的回波，实现感知与数据收集的并行处理。
• 建立部分与二进制数据卸载策略的ISCC系统模型，针对耦合优化变量制定两个WTC最大化问题。
• 开发一种混合优化框架，结合线性规划（LP）、分数规划（FP）、整数规划（IP）与交替优化（AO）求解子问题。
• 在IRS引入离散无源波束成形以近似连续波束成形，在降低硬件复杂度的同时保持性能。
• 采用加权吞吐量容量（WTC）作为关键性能指标，以平衡通信、感知与计算增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 IRS背散射能否有效替代用户设备的主动射频链，以实现无射频链上行链路传输？
• RQ2 通过IRS背散射实现感知、通信与计算的融合，对系统谱效率与吞吐量容量有何影响？
• RQ3 与MRT或反射波束成形等简化方案相比，波束成形、数据卸载与波束选择的联合优化能带来多大性能增益？
• RQ4 在WTC性能方面，IRS上的离散无源波束成形在多大程度上可近似连续波束成形？
• RQ5 系统参数（如IRS单元数、发射功率、基站天线数）对可实现WTC的影响如何？

主要发现

• 所提出的联合优化方案实现了最高的加权吞吐量容量（WTC），优于MRT、Discrete4、Discrete8与反射波束成形方案。
• 在相同发射功率下，IRS背散射的WTC与主动天线（如Antenna4、Antenna8）相当或更优，证明其作为低成本、无源替代方案的可行性。
• 增加IRS单元数可提升Joint、MRT、Discrete4与Discrete8方案的WTC，因空间复用增益与能量接收增强；而反射波束成形方案因等功率分配导致先升后降。
• 基站更高的发射功率可提升所有方案的WTC，证实系统的功率可扩展性。
• 基站更多发射天线显著提升Joint、MRT、Discrete4与Discrete8方案的WTC，但对反射与天线基方案影响甚微，表明空间自由度是性能增益的关键。
• 部分卸载始终优于二进制卸载，因其支持灵活资源分配；而二进制卸载强制所有用户采用单一模式（本地处理或卸载），限制性能。