Integrated sensing and communication for future 6G wireless systems in the upper-mid band

Integrated Sensing and Communication (ISAC) systems combine wireless communication and radar sensing within a single infrastructure that leverages shared hardware and spectrum. The next generation of wireless systems, 6G, is set to operate in the so-called Upper Mid-Band (FR3, 7–24 GHz), which provides the bandwidth required for centimetre-level environmental sensing, therefore unlocking new possible use cases and applications. However, this promising spectrum is heavily fragmented by incumbent services, making difficult to allocate a wide bandwidth without interfering with existing incumbents. This thesis addresses this issue by investigating a coherent multiband approach as the solution to achieving high-resolution performance in a non-contiguous environment for the design of ISAC systems operating at future 6G frequencies. The challenge was addressed by developing a MATLAB simulation framework for an OFDM-based ISAC architecture in order to study the detection performance of the system. The methodology uses an Expectation-Maximisation (EM) algorithm, initialised via Successive Interference Cancellation (SIC), to accurately estimate target parameters despite the highly oscillatory likelihood function of a multiband system. A Generalised Likelihood Ratio Test (GLRT) detector then uses these parameters to statistically discriminate between the presence of one or two targets in noisy observations. The analyses demonstrate that coherent multiband processing significantly improves range resolution. Although spectral gaps enhance theoretical resolution, they also introduce signal artefacts that make estimation more difficult, particularly under low SNRs. The feasibility of the approach was validated using realistic FR3 spectrum allocations from the World Radiocommunication Conference (WRC). The study identifies inter-band phase coherence as a crucial aspect of the system. It shows that even moderate phase errors can severely degrade the performance of the estimation and detection processes. This highlights phase incoherence as the main obstacle to address for the practical deployment of such systems.

I sistemi ISAC (Integrated Sensing and Communication) combinano comunicazione wireless e rilevamento radar in un’unica infrastruttura, sfruttando hardware e spettro condivisi. La prossima generazione di sistemi wireless, il 6G, opererà nella cosiddetta Upper-Mid Band (FR3, 7-24 GHz), che offre la larghezza banda necessaria per un rilevamento ambientale con precisione centimetrica, abilitando nuovi casi d'uso e applicazioni innovative. Tuttavia, questo spettro risulta fortemente frammentato da applicazioni preesistenti, rendendo complessa l’assegnazione di ampie bande di frequenza senza rischio di interferenze. Questa tesi esplora la suddetta problematica proponendo un approccio multibanda coerente come soluzione per ottenere la risoluzione richiesta in uno spettro non contiguo, con l'obiettivo di progettare sistemi ISAC compatibili con le future frequenze del 6G. Il problema è stato affrontato sviluppando un framework di simulazione per un'architettura ISAC basata su OFDM utilizzando MATLAB, al fine di analizzare le prestazioni di rilevamento del sistema. La metodologia adottata include l'algoritmo Expectation-Maximisation (EM), inizializzato tramite l'operazione di Successive Interference Cancellation (SIC), con l'obiettivo di stimare con precisione i parametri dei target, nonostante la natura altamente oscillatoria della funzione di verosimiglianza del sistema multibanda. In seguito, un rilevatore GLRT (Generalised Likelihood Ratio Test) sfrutta le stime dei parametri per distinguere statisticamente tra la presenza di uno o due target in condizioni di osservazioni rumorose. Le analisi condotte sul sistema mostrano che l'elaborazione multibanda coerente dei segnali contribuisce significativamente a migliorare la risoluzione spaziale. Pur migliorando la risoluzione, le lacune spettrali introducono artefatti che ostacolano la stima dei parametri, specialmente in condizioni di basso SNR. La fattibilità del sistema proposto è stata verificata utilizzando allocazioni spettrali realistiche definite della World Radiocommunication Conference (WRC) in FR3. Infine, lo studio identifica nella coerenza di fase il principale ostacolo all'implementazione pratica, poiché anche errori modesti degradano severamente le prestazioni di stima e rilevamento.