DOI: https://doi.org/10.1109/jsac.2025.3531533
تاريخ النشر: 2025-01-27
المؤلف: Ahmad Bazzi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تتبع الأهداف ودمج البيانات في شبكات الاستشعار
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة نموذجًا لنظام متكامل للاستشعار والاتصالات (ISAC) مدعوم بسطح ذكي قابل لإعادة التكوين (RIS)، حيث يتواصل محطة القاعدة مع مستخدم بينما وحدة استشعار ثنائية الاتجاه، وتحديدًا رادار سلبي (PR)، تكشف الأهداف باستخدام إشارات النزول. يعزز RIS كل من قدرات الاتصال والاستشعار ولكنه يقدم أيضًا مسارات تداخل جديدة، تُسمى تداخل المسار (PI)، والتي تتكون من تداخل المسار المباشر (DPI) وتداخل المسار المنعكس (RPI).
لمعالجة التحديات التي تطرحها PI، يقترح المؤلفون إطار عمل تحسين يسهل مهام ISAC من خلال تشكيل حزمة زمنية مكانية تناظرية في وحدة الاستشعار، بالتزامن مع تغيير طور RIS وتحسين مصفوفة التباين الإحصائي للإرسال، جميعها تهدف إلى تقليل طاقة PI. تم تحديد مشكلة التحسين على أنها غير محدبة، مما دفع إلى تطوير طريقة هبوط منسق دوري كتلي (BCCD) لفصل المشكلة الفرعية غير المحدبة عن المشكلة المحدبة. يتم استخدام طريقة تدرج ريمان المترافق لحساب تغييرات طور تشكيل حزمة RIS وPR خلال كل تكرار BCCD، بينما يتم حل المشكلة الفرعية المحدبة باستخدام الحلول القياسية. تؤكد نتائج المحاكاة فعالية النهج المقترح مقابل الطرق المرجعية.
مقدمة
ت outlines مقدمة ورقة البحث الأهداف الطموحة لتكنولوجيا 6G، التي تهدف إلى تلبية الطلبات المتطورة لأسواق متنوعة من خلال تطبيقات مبتكرة مثل البلوكشين، والطب عن بعد اللمسي، والواقع الافتراضي والمعزز (VR/AR)، والنقل الهولوجرافي، والواقع الممتد (XR). تتطلب هذه التطبيقات زيادة كبيرة في سعة النطاق الترددي، من المتوقع أن ترتفع بمقدار 1000 مرة بحلول عام 2030. تشمل التقنيات الرئيسية الممكنة لـ 6G ترددات أقل من 6 جيجاهرتز وترددات الموجات المليمترية (mmWave)، بالإضافة إلى الأسطح الذكية القابلة لإعادة التكوين (RIS)، والتي تعتبر ضرورية لتعزيز الاتصال والأداء.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط الورقة الضوء على أهمية الاستشعار المتكامل والاتصالات (ISAC) في 6G، مع التأكيد على إمكانيته في إحداث ثورة في قطاعات مثل السيارات، وإنترنت الأشياء (IoT)، والروبوتات. يتم الإشارة إلى تقارب استشعار الرادار والاتصالات اللاسلكية لأساليبهما المشتركة في معالجة الإشارات وتصميم الأنظمة، مما قد يؤدي إلى تطبيقات مبتكرة مثل الاتصال بين المركبات وكل شيء (V2X). يتم وضع هذا النهج التعاوني كعامل رئيسي لدفع التقدم المستقبلي في التكنولوجيا.
نقاش
تسلط قسم النقاش في الورقة الضوء على التقدم والتحديات في أنظمة الاستشعار والاتصالات المتكاملة (ISAC)، وخاصة مع دمج الأسطح الذكية القابلة لإعادة التكوين (RIS). تُلاحظ RIS لقدرتها على تعزيز الاتصالات اللاسلكية من خلال التلاعب بالإشارات الواردة، مما يحسن السعة والتغطية مع كونها فعالة من حيث الطاقة. تؤكد الورقة على إمكانيات RIS في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك تشكيل الحزمة والأمان، بينما تتناول أيضًا التحديات التي تطرحها أنظمة الرادار السلبي (PR)، التي تكشف الأهداف دون إصدار إشارات. إحدى القضايا المهمة التي تم طرحها هي النطاق الديناميكي في أنظمة ISAC، والذي يعد حاسمًا لتقليل أخطاء التكميم في معالجة الإشارات. يجادل المؤلفون بأن النطاق الديناميكي، الذي يُعرف بأنه النسبة بين أعلى وأدنى مستويات طاقة الإشارة، غالبًا ما يتم تجاهله، مما يؤدي إلى عدم الكفاءة في أداء المستقبل.
يقترح المؤلفون إطار عمل تحسين لمعالجة تحديات النطاق الديناميكي العالي في أنظمة ISAC المدعومة بـ RIS. يهدف هذا الإطار إلى تقليل تداخل المسار (PI) مع الحفاظ على نسب إشارة الرادار إلى الضوضاء (SNRs). تقدم الورقة خوارزمية هبوط منسق دوري كتلي (BCCD) لحل مشكلة التحسين غير المحدبة، مما يظهر فعاليتها من خلال محاكاة واسعة. تشير النتائج الرئيسية إلى أن زيادة عدد هوائيات الإرسال تقلل بشكل كبير من النطاق الديناميكي المطلوب في PR، مع تخفيضات محتملة تصل إلى 50 ديسيبل مقارنة بالأنظمة بدون RIS. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي إعطاء الأولوية لمهام الاتصال على مهام الاستشعار إلى تقليل PI بشكل أكبر، مما يظهر كفاءة الطريقة المقترحة في تحسين أداء النظام مع إدارة قيود النطاق الديناميكي. تختتم الورقة بتحديد هيكل الأقسام التالية، التي ستتناول نموذج نظام ISAC، وصياغة مشكلة التحسين، ونتائج المحاكاة، والتحديات المستقبلية في أنظمة ISAC المدعومة بـ RIS.
DOI: https://doi.org/10.1109/jsac.2025.3531533
Publication Date: 2025-01-27
Author(s): Ahmad Bazzi et al.
Primary Topic: Target Tracking and Data Fusion in Sensor Networks
Overview
This paper introduces a model for a reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided integrated sensing and communication (ISAC) system, where a base station communicates with a user while a bi-static sensing unit, specifically a passive radar (PR), detects targets using downlink signals. The RIS enhances both communication and sensing capabilities but also introduces new interference paths, termed path interference (PI), which consists of direct path interference (DPI) and reflected path interference (RPI).
To address the challenges posed by PI, the authors propose an optimization framework that facilitates ISAC tasks through analog space-time beamforming at the sensing unit, in conjunction with RIS phase shift and statistical transmit covariance matrix optimization, all aimed at minimizing PI power. The optimization problem is identified as non-convex, prompting the development of a block-cyclic coordinate descent (BCCD) method to separate the non-convex sub-problem from the convex one. A Riemannian conjugate gradient method is employed to compute the RIS and PR space-time beamforming phase shifts during each BCCD iteration, while the convex sub-problem is resolved using standard solvers. Simulation results validate the efficacy of the proposed approach against benchmark methods.
Introduction
The introduction of the research paper outlines the ambitious goals of 6G technology, which aims to meet the evolving demands of various markets through innovative applications such as blockchain, haptic telemedicine, virtual and augmented reality (VR/AR), holographic teleportation, and extended reality (XR). These applications necessitate a significant increase in bandwidth capacity, projected to rise by a factor of 1000 by 2030. Key enabling technologies for 6G include sub-6 GHz and millimeter-wave (mmWave) frequencies, as well as reconfigurable intelligent surfaces (RIS), which are essential for enhancing connectivity and performance.
Additionally, the paper highlights the importance of integrated sensing and communication (ISAC) in 6G, emphasizing its potential to revolutionize sectors such as automotive, the Internet of Things (IoT), and robotics. The convergence of radar sensing and wireless communication is noted for its shared methodologies in signal processing and system design, which could lead to innovative applications like Vehicle-to-Everything (V2X) communication. This collaborative approach is positioned as a critical driver for future advancements in technology.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the advancements and challenges in Integrated Sensing and Communication (ISAC) systems, particularly with the integration of Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS). RISs are noted for their ability to enhance wireless communication by manipulating incident signals, thus improving capacity and coverage while being energy-efficient. The paper emphasizes the potential of RISs in various applications, including beamforming and security, while also addressing the challenges posed by passive radar (PR) systems, which detect targets without emitting signals. A significant concern raised is the dynamic range in ISAC systems, which is crucial for minimizing quantization errors in signal processing. The authors argue that the dynamic range, defined as the ratio between the highest and lowest signal power levels, is often overlooked, leading to inefficiencies in receiver performance.
The authors propose an optimization framework to address the high dynamic range challenges in RIS-aided ISAC systems. This framework aims to minimize path interference (PI) while maintaining communication and radar signal-to-noise ratios (SNRs). The paper introduces a block cyclic coordinate descent (BCCD) algorithm to solve the non-convex optimization problem, demonstrating its effectiveness through extensive simulations. Key findings indicate that increasing the number of transmit antennas significantly reduces the dynamic range required at the PR, with potential reductions of up to 50 dB compared to systems without RIS. Additionally, prioritizing communication tasks over sensing tasks can further mitigate PI, showcasing the proposed method’s efficiency in optimizing system performance while managing dynamic range constraints. The paper concludes by outlining the structure of the subsequent sections, which will delve into the ISAC system model, optimization problem formulation, simulation results, and future challenges in RIS-aided ISAC systems.