[论文解读] Full Duplex Joint Communications and Sensing for 6G: Opportunities and Challenges

Chandan Kumar Sheemar, Sourabh Solanki+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2023

Full-Duplex Wireless CommunicationsEngineering被引用 3

一句话总结

本文提出了一种全双工联合通信与感知（JCAS）系统，集成上行链路和下行链路用户，并采用单基地和多基地雷达配置，实现高速率通信与增强感知的同步进行。该方法实现了频谱效率两倍的提升，并通过融合雷达感知显著提高了到达方向（DoA）估计精度，与仅使用单基地系统的方案相比，均方误差（MSE）降低高达60%。

ABSTRACT

The paradigm of joint communications and sensing (JCAS) envisions a revolutionary integration of communication and radar functionalities within a unified hardware platform. This novel concept not only opens up unprecedented interoperability opportunities, but also exhibits unique design challenges. To this end, the success of JCAS is highly dependent on efficient full-duplex (FD) operation, which has the potential to enable simultaneous transmission and reception within the same frequency band. While JCAS research is lately expanding, there still exist relevant directions of investigation that hold tremendous potential to profoundly transform the sixth generation (6G), and beyond, cellular networks. This article presents new opportunities and challenges brought up by FD-enabled JCAS, taking into account the key technical peculiarities of FD systems. Unlike simplified JCAS scenarios, we delve into the most comprehensive configuration, encompassing uplink and downlink users, as well as monostatic and bistatic radars, all harmoniously coexisting to jointly push the boundaries of both communications and sensing. The performance improvements resulting from this advancement bring forth numerous new challenges, each meticulously examined and expounded upon.

研究动机与目标

• 解决现有JCAS系统仅支持半双工操作或单一雷达类型（单基地或双基地）的局限性，这些限制导致频谱效率和感知性能受限。
• 通过同时支持上行链路和下行链路通信以及联合单基地与多基地雷达感知，探索全双工操作在JCAS中的全部潜力。
• 研究在共享频谱和硬件平台中，多种通信与感知链路共存所引发的性能增益与系统级挑战。
• 识别并分析关键的技术挑战，尤其是自干扰（SI）和太赫兹频段中的波束张力效应，这些因素阻碍了先进JCAS系统的实际部署。
• 为未来6G JCAS系统提供一个全面的框架，以实现低时延、高安全性和高谱效率的通信与感知。

提出的方法

• 提出一种配备15个发射和12个接收天线的全双工JCAS基站（BS），在同一频段内同时为上行链路（UL）和下行链路（DL）用户服务。
• 采用混合接收架构，可在自干扰消除（SIC）后分离上行链路数据流和感知信号，从而实现通信与感知操作的并行进行。
• 在BS和所有用户处均使用均匀线性阵列（ULAs），采用MIMO配置以支持空间复用和到达方向（DoA）估计。
• 应用多重信号分类（MUSIC）算法，对位于±4°的两个目标进行高分辨率DoA估计，利用单基地和双基地雷达回波信号。
• 实施一种结合模拟与数字技术的自干扰消除（SIC）框架，将自干扰功率抑制至接近噪声底限水平，这对全双工操作至关重要。
• 在理想条件下进行数值评估，设定固定的5 dB上行链路发射信噪比（SNR），将上行链路用户建模为分布在200米圆周上，下行链路用户靠近4°方向的目标，且用户数量对称。

Figure 1: Benchmark JCAS architectures: a) HD communications and monostatic radar sensing, b) HD communications and bistatic radar sensing, c) HD communications with monostatic and bistatic radars sensing.

实验结果

研究问题

• RQ1 在全双工JCAS系统中，同时集成单基地与多基地雷达配置相较于仅使用单一雷达配置，对感知性能有何影响？
• RQ2 当全双工操作支持JCAS系统中上行链路与下行链路通信同时进行时，可实现多大的频谱效率增益？
• RQ3 自干扰（SI）如何影响全双工JCAS系统的性能，特别是在波束张力效应显著的宽带太赫兹频段中？
• RQ4 在全双工、多用户、多雷达JCAS环境中，联合优化通信与感知性能所面临的关键信号处理与资源分配挑战是什么？
• RQ5 在全双工JCAS架构中，单基地与双基地雷达回波信号的融合能在多大程度上提升到达方向（DoA）估计精度？

主要发现

• 所提出的全双工JCAS系统结合单基地与多基地雷达感知，相较于半双工系统，理论频谱效率实现两倍提升。
• 通过融合单基地与双基地雷达回波信号，DoA估计的均方误差（MSE）相比仅使用单基地感知的方案最多降低60%，仿真结果已验证此效果。
• MUSIC估计算法可对位于±4°的两个目标实现高分辨率DoA估计，且随着上行链路（双基地）用户数量的增加，性能进一步提升。
• 自干扰（SI）仍是主要挑战，尤其在宽带太赫兹系统中，波束张力效应会降低波束成形精度并增加残留自干扰，从而限制系统性能。
• 现有文献缺乏对宽带太赫兹JCAS系统中自干扰的全面建模，凸显了亟需开展新的测量实验与自干扰特性表征的研究空白。
• 将全双工操作与多雷达感知相结合，可带来新的优势，如更低时延与更高安全性，使该系统成为6G网络的有力候选方案。

Figure 2: FD JCAS with HD UL and DL users and monostatic and bistatic radars.