[论文解读] NOMA Empowered Integrated Sensing and Communication

Zhaolin Wang, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2021

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 15被引用 8

一句话总结

本文提出了一种NOMA增强的感知与通信一体化（ISAC）框架，其中多天线基站通过功率域NOMA同时为多个用户服务，并利用叠加信号进行雷达感知。通过使用连续干扰消除（SIC）以及基于双层惩罚的连续凸逼近（SCA）算法，该系统在高空间相关性或系统过载场景下实现了优越的通信-感知权衡性能，优于传统ISAC，并在吞吐量和感知增益方面接近理想ISAC性能。

ABSTRACT

A non-orthogonal multiple access (NOMA) empowered integrated sensing and communication (ISAC) framework is investigated. A dual-functional base station serves multiple communication users employing NOMA, while the superimposed NOMA communication signal is simultaneously exploited for target sensing. A beamforming design problem is formulated to maximize the weighted sum of the communication throughput and the effective sensing power. To solve this problem, an efficient double-layer penalty-based algorithm is proposed by invoking successive convex approximation. Numerical results show that the proposed NOMA-ISAC outperforms the conventional ISAC in the underloaded regime experiencing highly correlated channels and in the overloaded regime.

研究动机与目标

• 为解决传统ISAC在用户数超过阵列自由度或空间相关性较高的信道中因空间自由度受限而导致的性能瓶颈。
• 将非正交多址接入（NOMA）集成到ISAC中，以提升频谱效率并缓解用户间干扰。
• 联合优化波束成形，以在服务质量与雷达约束下最大化通信吞吐量加权和与有效感知功率。
• 设计一种可扩展、低复杂度的算法，用于求解NOMA-ISAC中的非凸波束成形设计问题。

提出的方法

• 建立波束成形设计问题，以在最小速率和雷达特定约束下最大化通信吞吐量加权和与有效感知功率。
• 应用连续凸逼近（SCA）处理优化问题的非凸性。
• 提出一种基于双层惩罚的算法，以同时处理用户速率约束与雷达感知需求。
• 在用户端使用连续干扰消除（SIC）技术，优先解调强信号并将弱信号视为噪声，从而实现功率域多复用。
• 通过大尺度衰落矩阵建模空间相关信道，并将信道相关性纳入波束成形设计。
• 基于400次信道快照的蒙特卡洛仿真，评估性能权衡与波束图特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在空间相关性高或系统过载的场景下，NOMA是否能提升ISAC性能，从而克服传统ISAC因空间自由度受限而失效的问题？
• RQ2 与传统ISAC相比，NOMA-ISAC在通信吞吐量与有效感知功率之间的权衡表现如何？
• RQ3 NOMA-ISAC在多大程度上可逼近理想ISAC系统（即通信与感知独立运行）的性能？
• RQ4 在过载场景下，NOMA-ISAC中的波束成形设计如何影响发射波束图与感知方向性？
• RQ5 信道相关性对NOMA-ISAC与传统ISAC之间性能差距有何影响？

主要发现

• 在过载场景（N=4, K=6）下，NOMA-ISAC由于SIC有效抑制干扰，相比传统ISAC实现了显著更高的性能增益，尤其在高空间相关性条件下。
• 当空间相关性较高时，NOMA-ISAC在欠载场景（N=4, K=2）下优于传统ISAC；而当相关性较低时，传统ISAC表现更优。
• 即使在过载场景下，NOMA-ISAC的发射波束图仍能在预期方向（-40°和40°）保持主瓣主导，而传统ISAC在非期望方向出现严重功率泄漏。
• NOMA-ISAC与理想ISAC系统之间的性能差距极小，表明NOMA-ISAC几乎达到了通信与感知的理论上限。
• 在过载场景下，NOMA-ISAC在保持高通信吞吐量（13.5 bit/s/Hz）的同时实现了强有效的感知功率，展现出优异的鲁棒性与频谱效率。
• 基于双层惩罚的SCA算法收敛稳定，能够高效求解非凸波束成形问题，验证了其在实时应用中的可行性。