[论文解读] Exploiting Sensing Signal in ISAC: A NOMA Inspired Scheme

Zhaolin Wang, Xidong Mu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2022

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用 5

一句话总结

本文提出了一种受NOMA启发的集成感知与通信（ISAC）框架，其中感知信号被用作额外的信息承载波束，而非视为干扰。通过在用户端应用连续干扰消除（SIC），该方案提升了频谱效率，并在通信速率与感知精度之间实现了优于现有最先进方法的性能权衡。

ABSTRACT

A non-orthogonal multiple access (NOMA)-inspired integrated sensing and communication (ISAC) framework is proposed, where a dual-functional base station (BS) transmits the composite communication and sensing signals. In contrast to treating the sensing signal as a harmful interference to communication, in this work, multiple beams of the sensing signal are exploited to convey extra information streams based on the concept of NOMA. Then, each communication user detects the extra information streams and the existing legacy information streams with the aid of successive interference cancellation (SIC). Based on the proposed framework, a multiple-objective optimization problem (MOOP) is formulated to characterize the trade-off between the communication throughput and sensing beampattern accuracy. For the general multiple-user scenario, the formulated MOOP is firstly converted to a single-objective optimization problem via the e-constraint method. Then, a double-layer block coordinate descent (BCD) algorithm is proposed by employing fractional programming and successive convex approximation to find a high-quality sub-optimal solution. For the special single-user scenario, the globally optimal solution can be obtained by transforming the MOOP into a convex quadratic semidefinite program. Moreover, it is rigorously proved that 1) in the multiple-user scenario, the proposed NOMA-inspired ISAC framework always outperforms the state-of-the-art sensing-interference-cancellation (SenIC) ISAC frameworks by further exploiting sensing signals for delivering extra information streams; 2) in the special single-user scenario, the proposed NOMA-inspired ISAC framework achieves the same performance as the existing SenIC ISAC frameworks, which reveals that the coordination of sensing interference is not necessarily required in this case. Numerical results verify the theoretical results.

研究动机与目标

• 为解决传统ISAC系统中感知信号被低估利用的问题，即通常将其视为干扰。
• 通过应用NOMA原理，将感知波束转化为额外的信息承载流，以提升频谱效率。
• 在总功率约束下优化波束成形设计，以平衡通信吞吐量与感知波束图精度。
• 证明所提出的方案在多用户场景下优于现有的感知干扰消除（SenIC）框架。
• 推导单用户情况下的全局最优解，以及一般多用户情况下的次优解。

提出的方法

• 提出一种双功能基站，其发送的复合信号同时包含通信波束与感知波束。
• 采用非正交多址接入（NOMA）原理，允许多个用户同时解码传统的通信流以及感知波束中携带的额外信息。
• 在每个用户端使用连续干扰消除（SIC）技术，按信号强度顺序解码叠加的信号流。
• 采用ε约束法将多目标优化问题（MOOP）转化为单目标优化问题（SOOP）。
• 提出一种双层块坐标下降（BCD）算法，结合分数规划与连续凸逼近（SCA）技术，用于求解多用户场景下的次优解。
• 将多目标优化问题转化为凸二次半定规划（QSDP），从而在单用户场景下实现全局最优波束成形设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ISAC系统中，感知信号能否被重新用作信息承载波束以提升频谱效率？
• RQ2 所提出的受NOMA启发的ISAC框架在通信速率与感知精度方面，相较于现有SenIC框架表现如何？
• RQ3 在总功率约束下，何种波束成形设计策略能有效平衡通信吞吐量与感知波束图精度？
• RQ4 在何种条件下所提出的方案可实现全局最优？在何种情况下次优解已足够？
• RQ5 在单用户ISAC系统中，是否需要协调感知干扰？

主要发现

• 所提出的受NOMA启发的ISAC框架在多用户场景下始终优于现有最先进SenIC框架，通过利用感知信号实现额外的数据传输。
• 在单用户场景下，所提出的方案性能与现有SenIC框架相当，表明此情况下无需感知干扰协调。
• 数值结果证实，仅利用感知信号的一个波束作为额外信息流，即可实现显著的性能增益。
• 基于分数规划与连续凸逼近的双层BCD算法，能为一般多用户情况提供高质量的次优解。
• 通过将MOOP转化为凸二次半定规划（QSDP），推导出单用户场景下的全局最优波束成形解。
• 理论分析证明，所提出方案下的最优通信速率始终大于或等于传统方案与SenIC框架的速率，且在多用户场景下实现严格提升。