[论文解读] NOMA for Integrating Sensing and Communications towards 6G: A Multiple Access Perspective

Xidong Mu, Zhaolin Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型非正交多址（NOMA）技术在6G智能感知与通信（ISAC）中的应用设计，通过叠加编码与逐次干扰消除技术，实现感知与通信之间的高效频谱共享。该研究提出了NOMA赋能的下行链路ISAC与NOMA启发的下行链路ISAC，以及纯NOMA与半NOMA上行链路ISAC框架，通过数值结果证明，相较于传统的正交多址与纯NOMA方法，其在感知与通信性能权衡方面具有显著优势。

ABSTRACT

This article focuses on the development of integrated sensing and communications (ISAC) from a multiple access (MA) perspective, where the idea of non-orthogonal multiple access (NOMA) is exploited for harmoniously accommodating the sensing and communication functionalities. We first reveal that the developing trend of ISAC is from \emph{orthogonality} to \emph{non-orthogonality}, and introduce the fundamental models of the downlink and uplink ISAC while identifying the design challenges from the MA perspective. (1) For the downlink ISAC, we propose two novel designs, namely \emph{NOMA-empowered} downlink ISAC and \emph{NOMA-inspired} downlink ISAC to effectively coordinate the inter-user interference and the sensing-to-communication interference, respectively. (2) For the uplink ISAC, we first propose a \emph{pure-NOMA-based} uplink ISAC design, where a fixed communication-to-sensing successive interference cancellation order is employed for distinguishing the mixed sensing-communication signal received over the fully shared radio resources. Then, we propose a general \emph{semi-NOMA-based} uplink ISAC design, which includes the conventional orthogonal multiple access-based and pure-NOMA-based uplink ISAC as special cases, thus being capable of providing flexible resource allocation strategies between sensing and communication. Along each proposed NOMA-ISAC design, numerical results are provided for showing the superiority over conventional ISAC designs.

研究动机与目标

• 从多址接入的视角出发，利用NOMA技术解决集成感知与通信（ISAC）中的功能间干扰挑战。
• 设计新颖的下行链路ISAC架构，基于NOMA原理协调用户间干扰以及感知信号对通信的干扰。
• 设计灵活的上行链路ISAC框架——基于纯NOMA与半NOMA——实现在感知与通信之间的动态资源分配。
• 通过实证结果证明，NOMA-ISAC设计在感知与通信性能权衡方面优于传统的正交多址与纯NOMA-ISAC。

提出的方法

• 提出基于NOMA赋能的下行链路ISAC，基站采用叠加编码，用户端采用逐次干扰消除，以管理用户间干扰及感知对通信的干扰。
• 提出NOMA启发的下行链路ISAC，通过重构功率分配与信号结构，降低感知信号与通信信号之间的干扰。
• 设计基于纯NOMA的上行链路ISAC方案，采用固定顺序的逐次干扰消除，实现完全共享无线资源下的混合感知-通信信号共存。
• 提出基于半NOMA的上行链路ISAC框架，将无线资源划分为仅感知、仅通信与感知-通信混合资源块，实现灵活分配。
• 采用遍历雷达估计信息速率（REIR）与遍历通信速率作为性能指标，评估感知与通信性能。
• 通过数值结果对比所提出的NOMA-ISAC设计与传统正交多址（OMA）及纯NOMA的ISAC在性能权衡方面的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将NOMA应用于下行链路ISAC，以缓解用户间干扰及感知对通信的干扰？
• RQ2 与传统ISAC相比，NOMA启发与NOMA赋能的下行链路ISAC设计在性能上有哪些增益？
• RQ3 基于纯NOMA的上行链路ISAC设计能否在完全共享无线资源下实现有效的感知与通信共存？
• RQ4 半NOMA的上行链路ISAC设计如何实现灵活的资源分配并提升感知与通信之间的性能权衡？
• RQ5 在上行链路ISAC中，资源划分与功率分配对感知与通信性能权衡有何影响？

主要发现

• 所提出的半NOMA上行链路ISAC在感知与通信性能权衡方面优于OMA与纯NOMA的上行链路ISAC设计。
• 纯NOMA上行链路ISAC在感知优先场景下表现良好，但在通信优先设计中通信性能最差。
• NOMA赋能与NOMA启发的下行链路ISAC通过时频域复用与SIC技术，有效抑制了用户间干扰及感知对通信的干扰。
• 半NOMA上行链路ISAC设计提供了一个通用框架，可将OMA与纯NOMA设计作为特例包含在内，支持自适应资源分配。
• 数值结果证实，所提出的NOMA-ISAC框架在频谱效率与性能权衡方面优于传统ISAC设计。
• 在半NOMA上行链路ISAC中，C-RB的资源分配对提升通信性能至关重要，因其可减少感知信号对通信信号的干扰。