[论文解读] Near-Field Integrated Sensing and Communication: Performance Analysis and Beamforming Design

Kaiqian Qu, Shuaishuai Guo+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2023

Antenna Design and Optimization被引用 4

一句话总结

该论文针对使用超大规模（XL-）阵列的集成感知与通信（ISAC）系统，提出了一种近场波束成形（NFBF）方法，将电磁波建模为球面波，以利用距离维度实现更优的波束聚焦。通过建立二次约束二次规划（QCQP）模型，在功率受限条件下最小化雷达与通信波束成形误差，结合Cramér-Rao界（CRB）分析与凸优化方法实现功率最小化，相较于远场假设，性能显著提升。

ABSTRACT

This paper explores the potential of near-field beamforming (NFBF) in integrated sensing and communication (ISAC) systems with extremely large-scale arrays (XL-arrays). The large-scale antenna arrays increase the possibility of having communication users and targets of interest in the near field of the base station (BS). The paper first establishes the models of electromagnetic (EM) near-field spherical waves and far-field plane waves. With the models, we analyze the near-field beam focusing ability and the far-field beam steering ability by finding the gain-loss mathematical expression caused by the far-field steering vector mismatch in the near-field case. We formulate the NFBF design problem as minimizing the weighted summation of radar and the communication beamforming errors under a total power constraint and solve this quadratically constrained quadratic programming (QCQP) problem using the least squares (LS) method. Moreover, the Cramér-Rao bound (CRB) for target parameter estimation is derived to verify the performance of NFBF. Furthermore, we also perform power minimization using convex optimization while ensuring the required communication and sensing quality-of-service (QoS). The simulation results show the influence of model mismatch on near-field ISAC and the performance gain of transmit beamforming from the additional distance dimension of near-field.

研究动机与目标

• 解决在使用超大规模阵列的近场场景中，假设为远场平面波时ISAC系统性能下降的问题。
• 在近场区域将电磁波建模为球面波，以利用额外的距离维度实现波束成形增益。
• 在总功率约束下，制定联合波束成形设计，以最小化雷达与通信波束成形误差。
• 推导目标参数估计的Cramér-Rao界（CRB），以验证所提NFBF方案的性能。
• 通过求解凸优化问题，实现功率效率更高的ISAC运行，以最小化发射功率，同时满足服务质量（QoS）要求。

提出的方法

• 将近场电磁波建模为球面波前，与传统的远场平面波假设形成对比。
• 推导由于波束赋形波束响应失配导致的增益损失表达式，量化在远场波束成形假设下的性能损失。
• 将NFBF设计建模为二次约束二次规划（QCQP），以最小化雷达与通信波束成形误差的加权和。
• 采用最小二乘法（LS）求解QCQP，获得最优发射波束成形向量。
• 推导目标参数估计的Cramér-Rao界（CRB），用于评估感知精度并验证波束成形性能。
• 实现基于凸优化的功率最小化框架，以在满足SINR与基于CRB的QoS约束的前提下降低发射功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用XL-阵列的ISAC系统中，远场波束响应与实际近场波前之间的失配如何影响波束成形性能？
• RQ2 相较于远场假设，近场波束成形在多大程度上可利用距离维度提升波束聚焦与系统性能？
• RQ3 在近场ISAC系统中，通信服务质量（SINR）与感知精度（CRB）之间可实现怎样的性能权衡？
• RQ4 在近场ISAC系统中，如何在保持所需通信与感知性能的前提下最小化发射功率？
• RQ5 基于Cramér-Rao界，近场ISAC系统中目标参数估计的理论性能极限是什么？

主要发现

• 所提出的近场波束成形（NFBF）方案通过球面波建模中的距离维度利用，相较于传统远场波束成形，实现了显著的性能增益。
• 在近场区域，若使用远场波束响应向量，模型失配会导致显著的波束成形增益损失，而所提NFBF方法能有效缓解该问题。
• Cramér-Rao界（CRB）分析表明，所提NFBF设计可实现高精度的目标参数估计，验证了其感知性能。
• 基于LS方法求解QCQP问题，可在总功率约束下有效最小化雷达与通信波束成形误差的加权和。
• 基于凸优化的功率最小化方法在满足通信SINR与感知CRB要求的前提下，显著降低了发射功率。
• 仿真结果表明，NFBF设计在波束聚焦与系统频谱效率方面均优于传统远场波束成形，尤其在XL-阵列的密集近场环境中表现更优。