System Design and Signal Processing for Integrated Sensing and Communications

Neben zunehmend knappen spektralen Ressourcen und der konvergenten Hardwareentwicklung haben die steigende Nachfrage nach höheren Datenraten in Kommunikationssystemen sowie die Notwendigkeit der Koordination nicht-kollokierter Nutzer in modernen Radarsystemen die Entwicklung integrierter Sensing- und Kommunikationssysteme (Integrated Sensing and Communications, ISAC) vorangetrieben. In diesem Zusammenhang wurde in der Literatur eine wachsende Anzahl von Forschungsarbeiten veröffentlicht, die darauf abzielen, die Nutzung einer einzigen Wellenform zur gleichzeitigen Durchführung von Sensing und Kommunikation zu ermöglichen. ... mehrWährend sich zahlreiche Studien mit Fragestellungen zur Wellenformentwicklung, mit Gegenmaßnahmen gegen Hardwarebeeinträchtigungen sowie mit verteiltem Sensing befassen, fehlt bislang eine systematische Analyse von ISAC-Systemen, die die genannten Herausforderungen sowohl offenlegt als auch detailliert diskutiert und darüber hinaus Lösungen vorschlägt sowie diese mittels aussagekräftiger Simulationen und Verifikationsmessungen demonstriert. Diese Lücke wird durch die vorliegende Dissertation geschlossen.

In diesem Kontext werden Systementwurfsaspekte und Signalverarbeitungstechniken zur Realisierung zukünftiger ISAC-Systeme vorgeschlagen, diskutiert und verifiziert. Insbesondere wird eine umfassende Beschreibung von Verarbeitungsketten für verschiedene Modulationsverfahren präsentiert, darunter Phase-Modulated Continuous Wave (PMCW), Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) und Orthogonal Chirp-Division Multiplexing (OCDM), wobei neue Konzepte und Signalverarbeitungstechniken eingeführt werden. Eine vergleichende Performance-Analyse auf Basis von Simulations- und Messergebnissen wird vorgestellt, die die Eignung von PMCW und Sector-Modulated OCDM (SM-OCDM) für radarzentrierte Anwendungen hervorhebt, bei denen die Radar-Performance priorisiert wird, sowie von OFDM und Conventional OCDM (C-OCDM) für kommunikationszentrierte Systeme, in denen die Kommunikation-Performance Vorrang vor Sensing hat.

Mit Fokus auf kommunikationszentrierte, OFDM-basierte ISAC-Systeme, deren Realisierung in zellulären Netzen der sechsten Generation (6G) und darüber hinaus erwartet wird, führt diese Dissertation erstmals ein bistatisches ISAC-Systemkonzept ein. Dabei werden Radar-Signalverarbeitungsstrategien sowie ein robustes Synchronisationsverfahren zur präzisen Schätzung und Korrektur von Offsets integriert, wodurch eine kohärente Radar-Signalverarbeitung ermöglicht wird. Darüber hinaus wird eine detaillierte Diskussion von Hardwarebeeinträchtigungen, deren Auswirkungen auf die ISAC-Performance sowie potenzieller Gegenmaßnahmen durch Signalverarbeitung oder bereits im Systementwurf präsentiert. Schließlich wird eine Erweiterung des vorgeschlagenen bistatischen OFDM-basierten ISAC-Systems auf Multiple-Input-Multiple-Output-(MIMO)-Konfigurationen vorgeschlagen, und erstmals werden eine entsprechende Signalverarbeitungskette sowie ein verteiltes Synchronisationskonzept zur Sicherstellung der Kohärenz zwischen den Empfangskanälen eingeführt. Validiert durch Simulationen und Verifikationsmessungen werden die Fähigkeiten der vorgeschlagenen Single-Input-Single-Output-(SISO)- und MIMO-bistatischen OFDM-basierten ISAC-Systemkonzepte sowie der Signalverarbeitungstechniken unter realistischen Bedingungen demonstriert und deren Potenzial zur Weiterentwicklung infrastrukturbasiertes Sensings der nächsten Generation in zellulären Netzen hervorgehoben.

Zusammenfassend adressiert diese Dissertation eine Vielzahl relevanter theoretischer und praktischer Herausforderungen und leistet mit Systementwurfsaspekten sowie neuartigen Signalverarbeitungskonzepten und -algorithmen einen Beitrag zur Realisierung zukünftiger ISAC-Systeme.

In addition to progressively scarce spectral resources and convergent hardware development, the increasing demand for higher data rates in communications systems and the need for coordinating non-collocated users in modern radar systems have driven efforts towards the development of integrated sensing and communications (ISAC) systems. In this context, an increasing number of research efforts towards enabling the use of a single waveform for simultaneously performing radar sensing and communications has been reported in the literature. While a significant number of studies addresses the issues related to waveform design, countermeasures to hardware impairments, and distributed sensing, a systematic analysis of ISAC systems both exposing and discussing details related to the mentioned challenges, besides proposing solutions and demonstrating them via meaningful simulations and verification measurements has yet not been reported. ... mehrThis gap is filled by the present dissertation.

In this context system design considerations and signal processing techniques to enable future ISAC systems are proposed, discussed, and verified. More specifically, a comprehensive description of processing chains for various modulation schemes, including phase-modulated continuous wave (PMCW), orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), and orthogonal chirp-division multiplexing (OCDM), introducing new concepts and signal processing techniques. A comparative performance analysis based on simulation and measurement results is presented, highlighting the suitability of PMCW and sector-modulated OCDM (SM-OCDM) for radar-centric applications where radar sensing performance is prioritized, and OFDM and conventional OCDM (C-OCDM) for communications-centric systems in which communications performance has priority over radar sensing.

Focusing on communications-centric ISAC based on OFDM, which is expected to become a reality in cellular networks in their sixth generation (6G) and beyond, this dissertation introduces a bistatic ISAC system concept, where radar signal processing strategies and a robust synchronization procedure to accurately estimate and correct offsets, therefore enabling coherent radar signal processing, are included for the first time. Furthermore, a detailed discussion on hardware impairments, their effects on ISAC performance, and potential countermeasures via signal processing or during system deisgn is also presented. Finally, an extension of the proposed bistatic OFDM-based ISAC system to multiple-input multiple-output (MIMO) configurations is proposed, and a signal processing chain as well as a distributed synchronization concept to ensure coherence among receive channels are introduced for the first time. Validated by simulations and verification measurements, the capabilities of the proposed single-input single-output (SISO) and MIMO bistatic OFDM-based ISAC system concepts and signal processing techniques are demonstrated under realistic conditions, highlighting their potential to push the development next-generation cellular-infrastructure-based sensing forward.

In conclusion, this dissertation addresses a multitude of relevant theoretical and practical challenges, contributing with system design considerations and novel signal processing concepts and algorithms to enabling future ISAC systems.