Integrated sensing and communication (ISAC) is a promising technology for next-generation communication systems, allowing simultaneous data communication and sensing. To achieve highly accurate positioning in sensing system, use of high frequency spectrum of electromagnetic wave such as mmWave is needed. However, since high frequency spectrum suffers severe propagation loss, the coverage of both sensing and communication are narrow. Furthermore, in the presence of blockages, ISAC does not guarantee accurate positioning due to the lack of echo signals reflected from targets. To address this issue, we study a downlink ISAC system with an unmanned aerial vehicle (UAV) relay to expand the sensing and communication coverage by generating the blockage-free detour paths. In this UAV-assisted downlink ISAC system, we aim to transmit information while maintaining high target positioning accuracy by optimizing transmit power allocation. With moving target objects in a three-dimensional (3D) environment, this optimization problem becomes non-trivial due to highly complicated relationship of moving object position. To alleviate this complexity, we derive an approximated state transition model of 3D object and thereby formulate two strictly convex optimization problems that guarantees a unique optimal power allocation solution. Two optimization problems aimed to maximize the information transmission rate of each UAV relay network and maximize the accuracy of the position estimation of the UAV relay network. Numerical results corroborate that the proposed power allocation technique achieves both high positioning accuracy and data transmission rates in an ISAC network involving UAV relays. Furthermore, by comparing the numerical results of both optimization problems, we observe the trade-off relationship between sensing and communication performances.
ISAC(integrated sensing and communication)은 데이터 통신과 위치 추정을 동시에 가능하게 하는 기술이며 이는 다방면으로의 활용을 목표로 하고 있는 차세대 통신 시스템의 핵심 기술이다. 높은 센싱 정확도를 얻기 위해서는 mmWave와 같은 고주파 대역의 전자기파를 사용해야 하나, 거리에 따른 높은 감쇠율로 인해 낮은 커버리지를 가지게 된다. 또한, 위치 추정 대상으로부터의 반사 신호를 수신하여 위치를 추정하는 ISAC의 특성 상 장애물이 존재하는 경우 대상으로부터의 직접적인 반사 신호를 측정할 수 없기에 위치 추정이 불가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 이 논문에서는 장애물을 우회하여 물체의 위치를 추정하면서 데이터 신호를 전달할 수 있도록 하는 무인 항공기(UAV) 릴레이를 갖춘 다운링크 ISAC 시스템을 연구하였다. 본 연구에서는 UAV 릴레이가 포함된 다운링크 ISAC 시스템에서의 전력 할당 최적화를 통해 네트워크의 정보 전송률의 합을 최대화 하거나 위치 추정 정확도를 최대화 하는 것을 목표로 한다. 공중에서 이동하는 UAV의 특성에 맞게 3차원 환경에서 네트워크 구성 요소의 이동을 고려할 경우, 높은 계산 복잡도로 인해 위치 추정 정확도를 계산하는 것이 매우 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 3차원 물체 이동에 따른 위치 관계의 근사식을 유도하였으며, 이를 통해 전력에 따른 위치 추정 정확도를 닫힌 형태로 계산하였다. 또한, 계산된 위치 추정 정확도를 통해 최적의 전력 할당을 위한 두 가지의 볼록 최적화 문제를 고안하고 해결하였다. 최적화 문제는 각각 UAV 릴레이 네트워크의 정보 전송률 최대화 및 UAV 릴레이 네트워크의 위치 추정 정확도 최대화를 목표로 하였으며, 전산 실험을 통해 본 연구에서 제안된 전력 할당 기법이 UAV 릴레이가 포함된 ISAC 네트워크에서 높은 위치 정확도 및 정보 전송률을 달성하는 것을 확인하였다. 또한, 두 가지의 볼록 최적화 문제를 비교하는 것으로 센싱과 통신 성능 간의 trade-off 관계를 확인하였다.
