[论文解读] Location Sensing and Beamforming Design for IRS-Enabled Multi-User ISAC Systems

Zhouyuan Yu, Xiaoling Hu+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种IRS辅助的多用户ISAC框架，通过相同的时频资源联合实现上行链路通信与多用户定位。通过利用上行链路信号进行盲定位，并利用感知到的用户位置设计离散相移波束成形，即使在信道状态信息（CSI）不完美和硬件受限的情况下，系统仍实现了毫米级定位精度和接近最优的和速率性能。

ABSTRACT

This paper explores the potential of the intelligent reflecting surface (IRS) in realizing multi-user concurrent communication and localization, using the same time-frequency resources. Specifically, we propose an IRS-enabled multi-user integrated sensing and communication (ISAC) framework, where a distributed semi-passive IRS assists the uplink data transmission from multiple users to the base station (BS) and conducts multi-user localization, simultaneously. We first design an ISAC transmission protocol, where the whole transmission period consists of two periods, i.e., the ISAC period for simultaneous uplink communication and multi-user localization, and the pure communication (PC) period for only uplink data transmission. For the ISAC period, we propose a multi-user location sensing algorithm, which utilizes the uplink communication signals unknown to the IRS, thus removing the requirement of dedicated positioning reference signals in conventional location sensing methods. Based on the sensed users' locations, we propose two novel beamforming algorithms for the ISAC period and PC period, respectively, which can work with discrete phase shifts and require no channel state information (CSI) acquisition. Numerical results show that the proposed multi-user location sensing algorithm can achieve up to millimeter-level positioning accuracy, indicating the advantage of the IRS-enabled ISAC framework. Moreover, the proposed beamforming algorithms with sensed location information and discrete phase shifts can achieve comparable performance to the benchmark considering perfect CSI acquisition and continuous phase shifts, demonstrating how the location information can ensure the communication performance.

研究动机与目标

• 通过利用相同资源同时实现定位与上行链路通信，解决集成感知与通信（ISAC）中的频谱效率与系统复杂度权衡问题。
• 克服传统定位中对专用定位信号的依赖，利用上行链路通信信号实现盲多用户定位感知。
• 设计利用感知用户位置以提升上行链路和速率的波束成形算法，即使在离散相移和不完美信道状态信息（CSI）条件下亦可实现。
• 优化ISAC与纯通信（PC）时段之间的时间分配，以平衡定位精度与通信性能。
• 证明位置信息可有效替代完美CSI用于波束成形设计，从而在低硬件复杂度下实现高性能通信。

提出的方法

• 提出一种两阶段传输协议：第一阶段为ISAC时段，用于同时进行通信与定位；第二阶段为PC时段，用于专用于上行链路数据传输。
• 设计一种多用户定位感知算法，利用用户上行链路信号估计其位置，无需在IRS端使用专用导频信号或CSI。
• 在ISAC时段设计一种波束成形算法，利用感知到的用户位置与离散相移，无需瞬时CSI。
• 提出第二套波束成形算法用于PC时段，利用相同的定位估计结果，在离散相移条件下最大化和速率。
• 采用主要化-最小化（MM）方法建模波束成形优化问题，以处理离散相移并提升收敛性。
• 引入时间分配优化框架，以平衡ISAC与PC时段，最优时间比取决于发射功率与感知精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅依靠上行链路通信信号是否可实现高精度多用户定位，而无需专用定位信号或IRS端的CSI？
• RQ2 在存在离散相移与不完美CSI的条件下，如何有效利用感知到的用户位置设计波束成形？
• RQ3 ISAC与PC时段之间最优的时间分配比为何，以最大化整体系统性能？
• RQ4 基于位置的波束成形在多大程度上可实现与采用连续相移的CSI波束成形相当的性能？
• RQ5 发射功率如何影响为实现足够定位精度所需ISAC时段的持续时间？

主要发现

• 所提出的多用户定位感知算法在90%概率下实现了毫米级定位精度，证明了利用上行链路信号实现盲定位的可行性。
• 由于更多分布式的子-IRS协助传输，PC时段的和速率显著高于ISAC时段。
• 所提出的采用离散相移与位置信息的波束成形算法，其和速率性能与采用完美CSI和连续相移的基准方案相当。
• ISAC时段与总传输时段的最优时间比随发射功率增加而减小，从-5 dBm时的约1降至25 dBm时的接近0。
• 在更高发射功率下，ISAC时段所需时间更短，因为定位精度迅速提升，从而降低了对延长感知间隔的需求。
• 增加半主动IRS元件数量或感知时间可进一步提升定位精度，验证了所提框架的可扩展性。