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面向通信感知一體化的信號波形設計綜述

2024-09-06 00:00:00呂明陳昊豐光銀王丹仇琛許曉東
無線電通信技術 2024年3期
關鍵詞:信號系統設計

摘 要:通信感知一體化(Integrated Sensing and Communication,ISAC)作為6G 的關鍵技術之一,廣泛應用于智慧交通、智能家居等領域。隨著頻譜資源的緊缺、技術發展的融合,促使通信和感知功能的一體化,其中ISAC 的波形設計是同時實現高效率通信和高精度感知的研究重點。從ISAC 技術趨勢、波形設計重要性、應用場景和發展現狀四方面進行了簡要介紹,對以通信為主的波形設計、以感知為主的波形設計和波形復用設計進行了分析總結,闡述了聯合波形設計的一體化性能邊界以及潛在的一體化波形新型設計方式;并對ISAC 波形設計的發展方向進行展望。

關鍵詞:6G;通信感知一體化;波形設計

中圖分類號:TN929. 5 文獻標志碼:A 開放科學(資源服務)標識碼(OSID):

文章編號:1003-3114(2024)03-0469-15

0 引言

隨著5G 的逐步商用,國內外業界紛紛開展了面向下一代無線通信(6G)的研究工作。業界對于未來6G 的底層技術提出了很多前沿概念[1],其中通信感知一體化(Integrated Sensing and Communication,ISAC)作為6G 的重要特征和關鍵使能技術被提出,成為當前研究的熱點之一,其主要研究目標是實現高速率通信的同時進行高精度的目標感知。無線通信和雷達感知都依賴于電磁波作為載體,實現信息的傳遞和目標參數的獲取。這兩個功能的融合是技術發展的趨勢,目前無線通信和雷達感知系統都朝著更高的頻段、更大的天線陣列和系統小型化方向發展,在硬件架構、信道特性和信號處理方面也越來越相似[2]。此外,隨著頻譜資源的日益緊缺,新型智能應用和服務的頻譜需求變得越發難以滿足。ISAC 技術使得通信與感知共用硬件設備和頻譜資源成為可能,一體化的系統設計不僅減小了硬件設備的尺寸和能耗,通過聯合波形設計,還能夠進一步實現頻譜效率的提升。

1 技術要求及進展

通信和感知都需要基于電磁波波形來承載傳輸的信息和探測信號。在發射機側,通信需要將隨機的通信數據信息調制后發送,感知通常發送固定的脈沖序列;在接收機側,通信通常通過已知的導頻信號獲取信道的狀態信息來解調接收信號的數據信息,而雷達則利用已知的脈沖波形來探測目標參數信息。通信波形支持隨機數據信息的高速通信,其信號自相關性弱;而感知波形為固定序列,具有強自相關性。此外,由于通信和感知的目的不同,二者的性能衡量指標也不相同,需要設計統一的性能指標來實現二者性能的折衷。面向6G 不同的場景,通信和感知需求不同,還需設計合適的ISAC 波形。因此,在ISAC 系統中,一體化波形設計至關重要,能夠大大提升通信和感知的協同增益。

ISAC 因其通信和感知系統的內在融合,極大豐富了6G 的服務范圍,可應用于智慧交通領域中的車聯網、低空經濟的無人機應用、智能家居的人體檢測等場景[3]。在車聯網場景中,感知能力的提升是實現自動駕駛輔助的重要因素之一,利用通信聯網可以實現多方位感知數據的融合,提高單車的感知能力,而ISAC 技術通過實現通信和感知的協作增益,進一步增加駕駛輔助的可靠性[4]。在低空經濟的快速發展下無人機行業潛力巨大,無人機基于ISAC 技術可實現實時的路徑管理和入侵檢測等功能,相較于地面基站,其信號阻擋更少且感知視野更廣,在電力巡檢、搶險救災、城市管理等方面具有廣泛的應用[5]。在智能家居場景中,可以利用無線WiFi 信號來檢測人體在室內的活動情況,通過提取信號的多普勒或微多普勒特征識別人體的跌倒、呼吸以及非接觸式的手勢交互等[6],相較于攝像頭感知設備具有保護個人隱私的優勢。除了上述場景之外,ISAC 在智能工廠和醫療健康等領域中都具有更加廣泛的應用價值,給各行各業帶來更多的便利和效率的提升。基于上述應用需求,ISAC 技術在定位、成像、環境重構等方面仍面臨基礎理論不足、一體化波形設計復雜等挑戰。

早在20 世紀80 年代,已有集成通信和雷達功能的概念,如“寶石柱”“寶石臺”計劃,以及“先進多功能射頻系統”計劃等。通過集成戰機和艦船的通信、雷達和電子戰等功能,減少模塊數量,解決平臺的電磁兼容問題[7]。2016 年,DAPPA 啟動了“雷達和通信共享頻譜接入”項目,旨在釋放部分雷達頻譜與商用通信共用。近些年來,ISAC 技術同樣引起了業界的廣泛關注。2021 年9 月,IMT-2030(6G)推進組發布了第一版《通信感知一體化研究報告》,系統論述了通信感知融合需求、場景以及一體化波形設計等。2023 年6 月,國際電信聯盟無線電通信部門5D 工作組(ITU-R WP5D)第44 次會議發布了《IMT 面向2030 及未來發展的框架和總體目標建議書》[8]首次提出6G 典型場景,如圖1 所示。

ISAC 作為6G 典型場景之一,將提供除了通信能力之外的廣域多維感知,拓寬業務邊界。在標準化研究方面,2023 年12 月3GPP 確定了5GAdvanced 第二個標準版本Rel19 的首批16 個課題,課題之一是ISAC 的信道建模研究。而波形設計作為ISAC系統的核心,標準制定組織也已經開始關注該領域,開展相關的研究工作。

本文主要從以通信為主的波形設計、以感知為主的波形設計、波形復用設計和聯合波形設計四方面對ISAC 波形設計進行闡述。

2 以通信為主的波形設計

以通信為主的波形設計是指在現有通信波形的基礎上,通過優化其波形參數或將其改進以實現感知探測的功能,主要面向以通信為主、感知為輔的場景。本節主要針對正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)、單載波和正交線性調頻波分復用(Orthogonal Chirp Division Multiplexing,OCDM)的一體化波形設計進行討論介紹。

2. 1 OFDM 波形

在現有移動通信系統的制式上增加感知功能,不對蜂窩系統進行大幅修改,是較為直接且成本較低的一種方式。OFDM 是一種多載波調制方案,主要思想是將一個寬帶信道分解為N 個正交的窄子信道,將需要傳輸的高速數據信號轉換為并行的低速數據流,并調制到每個正交信道的子載波上進行傳輸,疊加傳輸的N 個正交信號在接收端通過一定的方式進行解調分離。由于每個子信道帶寬小于信道相干帶寬,子信道近似經歷平坦衰落,這樣可有效避免大帶寬信號的頻譜選擇性衰落,提高頻譜利用率,且通過加入循環前綴(Cyclic Prefix,CP),使得OFDM 波形具有抗多徑傳播能力。另外,OFDM 波形具有“圖釘形”的模糊函數,使其具有一定的感知能力。

基于OFDM 波形的ISAC 系統結構如圖2 所示,二進制數據經過QAM/ QPSK 調制(同時插入感知參考信號)、串并轉換,然后經過快速逆傅里葉變換(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)、插入CP 以及并串轉換,再將信號進行數模轉換為模擬信號,并在載波頻率上發送出去。在接收端,經過目標反射回來的回波信號,按照與發射端相反的順序進行處理。在感知數據處理方面,較易實現的方法是基于調制符號的OFDM 感知算法,根據接收到感知參考信號的調制符號與發射端的調制符號,通過IFFT 和快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)即可解算得到目標的距離和多普勒參數信息[9]。

現有移動通信系統幀結構中導頻信號具有良好的自相關性,已有研究驗證了采用同步信號[10]、信道狀態參考信號[11]、解調參考信號[12]、定位參考信號[13]、探測參考信號[14]等實現感知功能的可行性,直接采用現有通信參考信號并結合不同的感知信號處理方法達到估計目標的距離、速度等參數的目的。為了提高ISAC 系統的感知性能,需進一步優化OFDM 波形中通信和感知子載波的數量及功率分配。文獻[15]通過在OFDM 發射信號中未使用的子載波插入雷達信號來提高感知精度。在此基礎上,文獻[16]進一步研究通過重新分配通信子載波的部分功率來提高雷達子系統的性能。文獻[17]則在通信信道估計和雷達感知模糊函數的約束下,采用分散的感知參考信號設計,聯合優化感知參考信號的間隔和數據子載波之間的功率分配。在上行鏈路的車聯網ISAC 系統中,Li 等[18]在滿足通信速率的需求下,通過最小化克拉美羅下界(CramerRaoLower Bound,CRLB),實現最佳子載波與發射功率分配。

然而,通信的高階幅相調制、CP 和導頻等會導致高峰值旁瓣比(Peak to Sidelobe Ratio,PSLR),影響雷達目標檢測的虛警概率。同時,還需要考慮OFDM 波形高峰值平均功率比(Peak to AveragePower Ratio,PAPR)的問題。文獻[19]針對OFDM波形高PSLR 和包絡波動大的問題,采用綜合權重選擇、通信調制方式和相位編碼序列的數學模型,提出了基于隨機相位編碼的PSLR 迭代優化和PAPR優化的方法,在不降低多普勒分辨率的情況下提高距離分辨率。Huang 等[20]通過優化與通信頻帶互補的子載波,采用基于最大化-最小化的范數循環算法來降低PAPR。Yao 等[21]則以PAPR 作為約束,研究基于OFDM 的一體化波形設計。

另外,OFDM 波形還可以結合其他技術獲得感知性能的增益。為了解決時延- 多普勒(DelayDoppler,DD)耦合效應,文獻[22]利用線性調頻大帶寬積和OFDM 高頻譜效率的優點,提出了三角調頻和OFDM 相結合的ISAC 波形,能夠實現高精度測距估計的同時提高一倍速度估計的分辨率。文獻[23]在保證高分辨率距離像的前提下,為減少OFDM信號的基帶帶寬,提出了基于導頻的步進載波OFDM處理方法,實現了高效的感知探測。Zhang 等[24]在多目標感知和多用戶通信的車聯網場景中,提出了一種基于OFDM 和非正交多址的ISAC 方案,并應用深度學習方法進行用戶的解調和目標的追蹤。

2. 2 單載波

與采用多個子載波并行傳輸的OFDM 波形不同,基于單載波的信號具有低PAPR 的特性,減小了非線性失真,并且能耗低、實施簡單,適用于小范圍覆蓋場景[25]。文獻[26]研究了聯合調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷達和單載波通信的頻分復用系統,分別將雷達和通信放在兩個載波中共同輸出,同時實現通信和探測。Xiao 等[27]研究了基于時延對齊調制的單載波ISAC系統,在傳輸過程中無需復雜的信道均衡也可以消除符號間干擾,相較于OFDM 波形具有更低的PAPR、更少的保護間隔開銷以及更優的多普勒容忍性。

通過改變DFT 擴展塊可以實現通信和感知的功能,文獻[29]通過設計具有數據塊和參考塊的幀結構來融入感知功能??紤]到THz 信道時延擴展的變化,提出了具有靈活保護間隔的DFTSOFDM方案來減少CP 開銷,提高數據速率。

2. 3 OCDM 波形

OCDM 是一種基于離散菲涅爾變化(DiscreteFresnel Transform,DFnT)的多載波正交復用技術,在多徑傳播中具有更好的魯棒性,是OFDM 的替代方案之一。在OCDM 中,通過在相同的帶寬中利用DFnT 形成一組正交的線性Chirp 信號,并將通信數據加載到這一組Chirp 信號的幅度和相位中實現高效的通信傳輸,其中DFnT 的作用類似于OFDM 中的FFT。

文獻[30]研究了基于OCDM 一體化系統的可行性,提出了通信和感知數據獲取的方法,相較于OFDM 一體化系統具有更低的誤碼率。在此基礎上,作者進一步研究了基于多輸入多輸出(MultipleInput MultipleOutput,MIMO)的OCDM 一體化系統,并對比分析了碼分和頻分兩種復用方式,其中碼分效果更優,但距離旁瓣水平更高[31]。以上工作具有良好的通信和感知性能,但計算復雜度更高。為了解決這一問題,文獻[32]提出采用頻域點除法代替傳統的匹配濾波方法,有效去除隨機通信數據的同時,大幅降低信號處理算法的復雜度。文獻[33]研究了車聯網場景中基于OCDM 波形的一體化系統,驗證了在低載波間干擾條件下的時頻選擇性信道中,與OFDM 相比具有更優的通信性能,并且實現了高目標分辨率。Li 等[34]在0. 14 THz 頻段下采用基于OCDM 波形的ISAC 系統進行實驗,實現了32 Gbit/ s 數據速率和1. 875 cm 距離分辨率。

2. 4 小結

目前以通信為主的波形設計研究多數基于OFDM 波形,而基于單載波和OCDM 的波形設計也是以OFDM 為參考,解決OFDM 波形存在的問題,上述3 種波形設計的優缺點如表1 所示。

3 以感知為主的波形設計

以感知為主的波形設計是指在已有的雷達波形基礎上,將通信信息調制到雷達信號中,從而達到通信的目的。如對線性調頻(Linear Frequency Modulation,LFM)信號或FMCW 進行改進以攜帶通信信息;或者通過索引調制(Index Modulation,IM)來控制雷達波形參數的改變以攜帶通信信息。以感知為主的波形設計通常更接近原有的波形,因此具有優異的感知性能,但在通信速率方面存在一定限制,更適用于對感知精度要求較高的場景。

3. 1 LFM 波形

傳統的雷達感知信號要求波形具有良好的相關特性,以實現高動態的測量范圍。其中,LFM 信號(即Chirp 信號)具有高距離分辨率、低帶外輻射、對多普勒頻移不敏感、信號設計靈活等優點,是應用最為廣泛的雷達波形之一。LFM 信號的載波頻率隨時間線性變化,其信號表達式如下:

通過幅度將通信信號和LFM 信號相結合,可以保留二者的優勢。文獻[35]提出了結合16QAM 信號和LFM 信號的高階調制一體化波形,其與16QAM 波形具有相同通信誤碼率,同時也有良好的感知性能。為了進一步提升通信速率,文獻[36]設計了一種基于64QAM 的LFM 波形,其信號生成過程如圖3 所示。在犧牲了一定的誤碼率的條件下大大提高了信號的頻譜利用率和抗干擾能力。

但是由于其幅度種類增加,信號的動態范圍變大,對射頻前端的線性度要求較高,且波形的幅度包絡起伏較大,影響感知探測范圍。

相移是在數字域基于通信信息對LFM 信號的相位進行移相處理,該方法產生的一體化波形具有平坦幅度包絡。文獻[37]采用相移鍵控(PhaseShift Keying,PSK)將多個通信數據符號嵌入到每個LFM 信號脈沖中,并采用時分復用保證MIMO 發射機之間的正交性。進一步研究中,作者使用m 序列或巴克碼進行編碼,以碼分復用的形式來保證正交性,結果表明碼分復用具有更高的通信速率,但正交性不如時分復用[38]。文獻[39]在理論層面分析了LFMPSK 波形的距離分辨率、PSLR 和CRLB 感知性能指標,并在光子THz 的ISAC 系統上進行了實驗,結果顯示通信速率可達6 Gbit/ s 且距離分辨率達1. 3 cm。文獻[40]則針對自由空間光學提出了結合連續相位調制和LFM 波形的一體化信號方案,通過理論推導和數值模擬證明了通信和感知性能優于其他恒模信號。

利用最小頻移鍵控(MinimumShift Keying,MSK)將通信信號調制到LFM 脈沖上同樣可以保留波形的恒包絡特性。針對多徑干擾下積分信號誤碼率增加的問題,文獻[41]采用直接序列擴頻技術對MSKLFM 的積分信號進行優化,有效降低了一體化系統的誤碼率。Bao 等[42]對基于MSK-LFM 的一體化信號進行仿真的同時搭建了真實的實驗環境進行驗證,在80 GHz 的中心頻率和1 GHz 的帶寬下實現了13. 2 cm 的距離分辨率。Mei 等[43]對比分析了MSKLFM 和CEOFDM 兩個一體化信號波形的性能,結果表明在相同信噪比下,MSKLFM 的誤碼率優于CEOFDM,但是CEOFDM 在低信噪比下具有更好的感知效果,所以在不同的場景需求下可采用不同的ISAC 信號。

除了上述3 種通信符號的調制方式,現有研究還提出了基于延遲跳躍映射和正交頻分等形式的LFM 一體化波形。針對現有LFMISAC 系統中通信接收鏈路復雜度高和數據調制導致的感知性能下降問題,文獻[44]提出了基于延遲跳躍映射的LFM 波形。為了解決自相關函數中高旁瓣的問題,提高波形的弱目標檢測性能,Huang 等[45]提出了正交頻分LFM 波形設計方法。文獻[46]提出了基于尺度離散菲涅爾變換(Scale Discrete Fresnel Transform,SDFnT)的OFDMLFM 一體化波形設計方法,其核函數是一組可調調頻斜率的正交LFM,將SDFnT 方法與MUSIC 算法相結合,實現角度的高精度估計。

3. 2 FMCW 波形

與LFM 相比,FMCW 能夠測量目標的速度信息,且不存在距離盲區。此外,FMCW 具有帶寬大、脈沖周期長、包絡恒定、發射功率低等特性,使其能夠提供高精度的感知分辨率,以及具有較低的PAPR 和功耗,目前已廣泛應用于車輛和無人機的感知探測等領域。

為使FMCW 在感知探測的同時實現通信傳輸的功能,現有研究采用類似LFM 信號中通信符號的調制方式實現FMCW 一體化波形設計。文獻[47]采用頻移鍵控(FrequencyShift Keying,FSK)將通信數據調制到FMCW 波形中,仿真結果表明能夠探測8 km 處反射截面為1 m2 的探測目標,同時數據傳輸速率為400 kbit/ s。而文獻[48]則搭建了基于FSKFMCW 的ISAC 實驗系統,驗證了增加通信功能并不會對感知性能有實質性的影響。為了進一步提高FSKFMCW 的通信速率,文獻[49]提出在每個LFM 信號上調制多個通信符號,其調制過程如圖4 所示,并通過差拍和一維FFT 處理,對接收到的一體化信號進行通信數據解調。

一些研究也提出了基于幅度調制[50]和相位編碼[51]的FMCW 一體化波形設計。

多進制數字頻率調制(Multiple Frequency ShiftKeying,MFSK)是FSK 的推廣,文獻[52]采用了MFSK 進行通信數據的調制,對于不同符號之間出現相位跳變的情況,采用多普勒尺度變換和相位補償相結合的方式對一體化回波信號進行處理。將通信數據調制到FMCW 波形上對雷達的感知性能也具有一定的影響,Xu 等[53]分析了感知性能下降的原因,并提出了雙路徑補償和拼接的處理方案,通過補償相應的參數來抑制感知性能的損失。針對基于FMCW 波形的ISAC 系統之間存在干擾和通信傳輸速率低的問題,Gu 等[54]提出了基于跳頻輔助的FMCW 一體化波形,采用跳頻模式結合感知檢測和通信解調的方法,提高系統給定時間內傳輸的比特數和干擾規避的能力。

3. 3 IM 方法

與采用幅度、相位和頻率的變化來調制通信數據到雷達波形信號中的方法不同,IM 還利用各種雷達波形的其他特征參數進行調制,如發射天線[55]、載波頻率[56]、擴頻碼[57]等。通過同時索引各種雷達波形參數,能夠在一個符號中調制更多比特信息,只要信號的調制解調復雜度在收發機的可接受范圍內,即可進一步提升通信速率和頻譜效率。

目前基于IM 的一體化波形設計主要采用跳頻的MIMO 雷達波形快速調制方案。在基于跳頻的MIMO 波形中,每個脈沖被劃分為多個子脈沖,并且發射信號的中心頻率在不同的子脈沖和天線上快速變化,而需要傳輸的通信符號則可以使用不同的子脈沖和天線來表示。通過跳頻碼可以對通信符號進行編碼,但同時也對雷達的性能產生了影響,文獻[58]對跳頻碼產生的平均模糊函數進行了研究,結果表明感知性能取決于子脈沖的數量和時延。為了進一步提高通信性能,Xu 等[59]提出了混合IM 的跳頻MIMO 波形,通過將通信信息調制到頻率、相位和天線三元索引的波形中,實現通信速率的成倍提升。雖然跳頻的調制方式通信速率相對較高,但在感知方面還受距離旁瓣的影響,并且在通信方面還需對信道估計進行深入的研究[60]。

基于跳頻的IM 采用脈沖間調制而不改變雷達的基帶信號,現有研究提出了結合相位的脈沖內IM的波形設計。Yao 等[61]通過聯合信息嵌入子脈沖位置和差分相移鍵控來進行通信,同時最小化波束圖的旁瓣水平來增強一體化波形的探測能力。由于相移雷達無法直接估計目標距離,Li 等[62]通過在相移雷達波形的載波頻率上添加一個小的固定頻率增量,實現了距離和角度的聯合估計且抑制了距離估計模糊,并通過頻率分配來攜帶通信信息。

3. 4 小結

目前以感知為主的波形設計研究多數采用LFM 波形通過幅度、相移或頻率來調制通信信息,FMCW 與LFM 的方法比較相似,而IM 則通過天線等更多的參數進一步提升通信速率,上述3 種波形設計的優缺點如表2 所示。

4 通信和感知的波形復用設計

上文分別介紹了以通信或感知為主的波形設計中常用的波形及其一體化波形的改進方法。另一種更為直接的設計思路是復用已有的通信和感知波形,采用時分、頻分、碼分、空分的方式進行兩種波形的分集發送,實現感知和通信的頻譜共享,以避免相互干擾。在不同應用場景下根據感知和通信需求分配時頻碼空的資源,實現感知和通信資源的協同優化,提升一體化系統整體的性能。

4. 1 時分復用

時分復用是指在時間的維度上劃分資源,在一個周期內的不同時間段分別發送通信或感知的波形,通過切換兩種模式的開關狀態即可交替實現兩種功能。由于通信和感知是分時發送,當側重于通信時,會影響感知的性能,反之亦然,所以需要優化通信和感知的時間分配比。Zhang 等[63]提出了一種車聯網場景下的時分動態幀結構一體化系統,設計了一種低時延高效率的共享原始感知數據的協作算法,采用信息年齡對M/ M/1 排隊問題進行建模,實現車輛通信和感知雙功能的最佳持續時間分配比,保證了車與車之間感知信息共享的及時性。

目前,時分的一體化系統在已有的商用無線標準中已經實現,如大多數WiFi 感知都是采用導頻(前導碼)信號,該信號與有效數據負載以時分的方式一起傳輸。在IEEE 802. 11ad 中前導碼最初設計用于信道估計,由格雷互補序列組成,具有良好的相關性,適用于感知探測[64]。Wang 等[65]采用了前導碼實現室內目標空間位置的感知,并討論了基于現有通信協議的手勢識別的可行性。雖然時分復用實現簡單,但是缺點也是顯而易見的,通信和感知的功能不能同時進行工作,而另外3 種復用方式可以同時工作。

4. 2 頻分復用

頻分復用是指將通信或感知的波形分配到不同的子載波或頻段上,該復用方式需要考慮不同頻段或子載波上通信和感知的資源分配。為了避免干擾,兩個功能的頻帶之間需要增加適當的頻率間隔,導致了頻譜利用率的下降,同時還需要合理分配通信和感知信號的發射功率?;冢希疲模?的頻分復用一體化系統只需要對現有通信系統的頻域子載波重新劃分即可,Ozkaptan 等[66]采用該系統同時實現了車輛的通信和感知雙功能,OFDM 信號由頻域上均勻分布的導頻子載波和數據子載波組成。其中導頻序列由低PSLR 的巴克碼構成,具有良好的自相關性,并且作者根據感知估計精度和有效信道容量共同確定通信和感知子載波的最佳分配比。在此基礎上,Wang 等[67]提出利用導頻子載波的動態分配實現車輛不同感知范圍之間的動態切換,以滿足不同場景下通信和感知的性能需求。

另外,通過Sub6G 和毫米波/ THz 頻段之間的多頻段協同實現ISAC,滿足高速率、廣覆蓋通信需求的同時提供高精度的感知信息[68]。Hu 等[69]提出了一種基于多頻段可重構全息超表面的ISAC 系統,利用多個上行鏈路頻帶繞過帶寬限制,提高了定位精度和通信容量。

4. 3 碼分復用

碼分復用是指采用正交碼分別調制通信和感知信號,再將由碼本矩陣擴頻后的信號進行線性疊加,形成一體化信號。文獻[7071]基于擴頻技術,分別采用了不同的PN 碼和Oppermann 多相序列來區分感知和通信信號。Chen 等[72]提出了一種基于碼分復用的OFDM 一體化系統,結合連續干擾消除的信號處理方法,抑制了通信和感知回波信號之間的相互干擾,實現碼分復用增益。在文獻[73]中,以疊加編碼的方式在感知波形中嵌入通信信息。然而,碼分復用在有大量散射體的實際場景中,會導致同頻干擾能量的積累,大幅抬升底噪。這是由于碼分復用技術并不滿足雷達的正交要求,會在雷達脈壓結果中引入同頻干擾[74]。

4. 4 空分復用

隨著MIMO 技術在各類通信和雷達系統之中的發展,為空間域的ISAC 系統設計奠定了基礎??辗謴陀檬侵咐猛唤M天線在不同的空域分別定向發送通信和感知的波形。在該復用方式下,由于通信傳輸和感知探測在不同的空間方向,通信用戶和感知目標通常是分離的。Hassanien 等[75]設計了一種以雷達感知為主的雙功能系統,主瓣發送感知脈沖信號,其他多個方向上的旁瓣結合正交波形傳輸通信數據信號。Zhai 等[76]將發射天線劃分為兩個不重疊但交織的子陣,分別進行目標感知和下行鏈路通信,通過強化學習來優化兩個子陣的配置,在保證通信性能的前提下,盡可能提高感知精度。

另外,還有研究結合智能超表面(ReconfigurableIntelligent Surface,RIS)實現波束的優化。通過調整RIS 的反射單元可以放大主瓣并抑制旁瓣,還可以改變入射波束的輻射方向,增加通信或感知范圍等[77]。Sankar 等[78]將RIS 反射單元劃分成了兩組,分別進行通信和感知波束的調整。另外,利用RIS 還可實現在非視距鏈路中目標的感知定位[79]。

4. 5 小結

上述4 種復用方式是ISAC 波形設計的研究基礎,主要實現硬件平臺和頻譜資源的共享,解決通信和感知功能的兼容性,消除互擾。不同復用方式的示意如圖5 所示、優缺點如表3 所示,由于通信和感知的波形相互獨立,維度單一,為正交復用波形,僅僅將時頻碼空四維度的資源進行通信和感知的功能劃分和調度,資源利用率低。需聯合多個維度設計新的非正交一體化波形,實現通信和感知的深度融合,進一步提升ISAC 的性能。

5 通信和感知的聯合波形設計

目前,一體化波形設計主要是基于通信或感知的波形進行優化,從而具備二者的功能,但尚未實現高度統一的一體化波形。本節將從聯合波形設計的一體化性能邊界和潛在的正交時頻空(OrthogonalTime Frequency Space,OTFS)設計的一體化波形進行介紹。

5. 1 一體化性能邊界

由于通信和感知的目的不同,其傳統的指標體系相互不兼容,在通信系統中通常采用誤碼率、數據速率、時延等作為性能指標,而感知的性能指標通常采用探測精度、虛警概率、漏檢概率、模糊函數等作為性能指標。指標體系的相互獨立不利于通信和感知一體化的性能評估,為此需要融合通信和感知的理論界限,從理論層面揭示二者之間的關系,構建ISAC 的統一性能指標體系。

當前,已有部分研究工作開展了通信和感知性能折衷的分析,核心思路是研究通信和感知子系統所能達到的信息理論極限[80]。通過定義通信和感知的性能度量,刻畫二者的可達區域[81],如圖6所示。

通過觀察可達性能區域的邊界形狀可見,邊界A 對應于單一維度資源復用的波形設計,在提升感知性能的同時會等比例損失通信性能;而邊界B 為最理想的情況,通信和感知的性能相互不影響,可以同時達到最優,不需要性能折衷;目前多數ISAC 研究的通信和感知的性能邊界介于A 和B 之間,類似邊界C;通過對波形進行多維度的設計優化,使邊界C 從A 逐漸逼近B,從而構建最優的ISAC 波形。

還有通過研究最大化通信和感知的互信息加權和為準則進行波形設計[84],也有將基于速率失真理論的概念引入到ISAC 中,Liu 等[85]在高斯信道條件下基于速率失真研究了通信和感知之間的折衷。而CRLB 作為感知信號性能估計的參考邊界,也常用做ISAC 性能的衡量指標,文獻[86]提出了效率和效用兩個新指標來評估并優化通信信道容量和感知估計誤差CRLB 的聯合性能,以最大化資源利用率。

目前全新的ISAC 波形設計還處于研究初期階段,ISAC 的性能指標和理論界限還需考慮更多實際的問題[87],進行更深入的研究。而OTFS 由于其在DD 域進行信息調制和信號處理的特點,成為ISAC的潛在波形之一。

5. 2 OTFS 波形

OTFS 是面向高速移動場景下的波形設計方案,其在DD 域調制碼元信息,能夠有效抵抗多普勒頻偏。通信處理的過程通常以導頻的時延和多普勒信息進行信道估計,再對數據符號進行反卷積。感知探測的距離和速度參數的獲取通常也是基于時延和多普勒信息,因此可以直接在OTFS 的DD 域進行感知參數的計算,無需過多的設計。

接收端對回波信號進行魏格納變換,接著進行辛有限傅里葉變換(Symplectic Finite Fourier Transform,SFFT)將數據恢復為DD 域數據信息,再根據導頻的信道估計進行解調得到最終的通信數據[88]。而感知目標的估計參數可以通過接收到的DD 域的導頻信息結合匹配濾波等算法得到。文獻[89]中提出的基于近似最大似然估計的感知算法,可以使OTFS 的感知精度媲美專用的感知波形FMCW。而與OFDM 波形相比,OTFS 在高速場景中具有更低的誤碼率,但是OTFS 需要在頻域上多個子載波和時域上多個OFDM 符號組成的大數據塊基礎上進行聯合處理,導致時延高,不適合低時延業務,并且存在處理復雜度高及其他問題。而在感知性能方面,文獻[90]制定了統一的信號模型研究OTFS 和OFDM 二者在感知性能的差異,仿真結果表明OTFS具有更優的感知性能。

為進一步提高OTFSISAC 的性能,Liu 等[91]研究了針對OTFS 一體化系統中通信和感知之間對頻率資源和功率資源的分配方案。文獻[92]則提出了一種基于加權分數傅里葉變換的OTFS 一體化波形,通過靈活調整參數來共同優化通信和感知的性能。

6 結束語

從以通信為主的波形設計、以感知為主的波形設計、通信和感知波形的復用設計以及聯合波形設計四方面,總結了近年來面向通信感知一體化的信號波形設計研究。以通信為主的波形設計中,鑒于與現有通信系統的兼容性,以OFDM 為基礎進行一體化波形設計是研究的重點;以感知為主的波形設計中,LFM 一體化信號設計靈活,結合IM 可以實現更高的通信速率;從通信資源復用的角度分析了基于時分、頻分、碼分、空分的一體化波形復用設計;聯合波形設計方面,對現有的ISAC 的性能邊界和理論基礎的研究進行了闡述,以指導全新的ISAC 波形設計。

目前在ISAC 波形設計上已經有了很多研究工作,但仍然存在一些挑戰和問題亟需解決:

① ISAC 的信息論。理論性能分析對于ISAC的波形設計至關重要,但通信和感知的指標體系相互獨立,需要從理論上對通信和感知的性能構建內在的關系表征,建立通信感知一體的理論模型和性能指標體系。另外,還需結合實際的問題進行理論性能的研究,如信道估計誤差、頻偏和信號同步誤差等。

② 基于OFDM 的一體化波形設計?,F有一些研究采用3GPP 5GNR 和IEEE 802. 11 等標準的幀結構可以實現感知功能,但幀結構中的參考信號不夠靈活,無法適應各種復雜的場景需求。因此,需進一步設計OFDM 幀結構中更加靈活的感知參考信號及其在時頻資源中的分布方式,同時聯合更多維度的參數共同優化基于OFDM 的ISAC 波形設計。

③ 面向MIMO 場景的一體化波形設計。在當前的通信和雷達系統中MIMO 技術已經廣泛應用,通過波束成形可以提高通信系統的覆蓋范圍以及感知的角度分辨率,但同時也提高了波束訓練的開銷。將感知參數與波束成形相結合,可以加快波束對準和跟蹤的過程,并且通過同時優化時、頻、空等資源可進一步提升通信和感知互助的能力。

④ 融合語義通信的一體化波形設計。語義通信可通過從源信息中提取與任務相關的語義信息來減少ISAC 系統中通信資源的占用,從而提升感知的性能。另外,在波形調制方面,相較于傳統通信中調頻、調幅、調相或矢量編碼方式的調制,語義通信采用非正交的不可逆混疊編碼調制,一體化波形可以根據感知信號波形的需求共同構造調制信號集波形。

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