[论文解读] Integrated Sensing and Communications with Reconfigurable Intelligent Surfaces

Sundeep Prabhakar Chepuri, Nir Shlezinger+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 11

一句话总结

本文提出了一种将可重构智能表面（RIS）与集成感知与通信（ISAC）相结合的创新方法，以提升毫米波/太赫兹频段下的通信可靠性与感知性能。通过利用RIS控制通信与感知信道之间的耦合，该框架实现了联合优化，从而提升能量效率与系统性能，尤其在非视 Line-of-sight（NLoS）环境中表现更优。

ABSTRACT

Integrated sensing and communications (ISAC) are envisioned to be an integral part of future wireless networks, especially when operating at the millimeter-wave (mmWave) and terahertz (THz) frequency bands. However, establishing wireless connections at these high frequencies is quite challenging, mainly due to the penetrating pathloss that prevents reliable communication and sensing. Another emerging technology for next-generation wireless systems is reconfigurable intelligent surfaces (RISs), which are capable of modifying harsh propagation environments. RISs are the focus of growing research and industrial attention, bringing forth the vision of smart and programmable signal propagation environments. In this article, we provide a tutorial-style overview of the applications and benefits of RISs for sensing functionalities in general, and for ISAC systems in particular. We highlight the potential advantages when fusing these two emerging technologies, and identify for the first time that: i) joint sensing and communications designs are most beneficial when the channels referring to these operations are coupled, and that ii) RISs offer means for controlling this beneficial coupling. The usefulness of RIS-aided ISAC goes beyond the individual obvious gains of each of these technologies in both performance and power efficiency. We also discuss the main signal processing challenges and future research directions which arise from the fusion of these two emerging technologies.

研究动机与目标

• 解决毫米波与太赫兹频段中严重的路径损耗问题，该问题会降低通信与感知的可靠性。
• 研究RIS与ISAC之间的协同效应，以构建可编程、节能的传播环境。
• 识别在通信与感知信道耦合时，联合感知与通信设计最有效的条件。
• 应对RIS与ISAC融合带来的信号处理挑战，包括硬件限制与移动性考虑。
• 探索RIS辅助ISAC的未来研究方向，包括硬件设计、部署策略以及移动场景下的动态控制。

提出的方法

• 构建基于MIMO的ISAC系统模型，通过调整反射系数，利用RIS调控传播环境。
• 利用RIS在通信与感知信道之间引入有益耦合，实现波束成形与波形设计的联合优化。
• 应用正交频 division multiplexing（OFDM）、OTFS与索引调制等先进调制技术，支持ISAC中的双功能传输。
• 为移动目标感知引入多普勒与杂波建模，并采用FMCW等波形以提升感知分辨率。
• 集成混合式模拟/数字与全息MIMO架构，支持大规模阵列同时降低硬件复杂度。
• 建模RIS移动性与动态配置对时变环境中信道估计与波束成形的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS如何在ISAC系统中增强通信与感知信道之间的耦合？
• RQ2 在RIS辅助的ISAC中，通信与感知性能之间的基本权衡是什么？如何实现优化？
• RQ3 RIS或移动目标的移动性如何影响ISAC中联合波束成形与反射控制的设计？
• RQ4 支持双功能感知与通信的RIS在硬件与系统层面的关键需求是什么？
• RQ5 如何协同部署与调度多个RIS，以提升ISAC系统中的感知与通信性能？

主要发现

• 当通信与感知信道耦合时，联合感知与通信设计最为有效，而RIS提供了主动控制该耦合的手段。
• RIS辅助的ISAC通过创建可控的反射路径，在非视 Line-of-sight（NLoS）场景中显著提升性能，克服了毫米波与太赫兹频段的严重路径损耗。
• RIS与ISAC的集成实现了节能、低复杂度的信号传播控制，减少了对有源射频链的依赖。
• RIS的部署显著提升了通信可靠性与感知精度，尤其在密集或遮挡环境中表现更优。
• 未来的RIS赋能ISAC系统在移动场景中受益于联合轨迹与波束成形设计，提升了跟踪与连接性能。
• 硬件创新如混合式无源/有源RIS正在出现，以支持同时进行感知与通信功能，从而实现新型系统能力。