智能超表面系統(tǒng)的通信感知一體化：現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)與展望

胡小玲，于周源，錢驍偉，彭木根

（北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

0 引言

6G有望同時(shí)提供高質(zhì)量的無線連接服務(wù)和高精度的無線感知服務(wù)，成為智慧城市、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、沉浸式業(yè)務(wù)等許多新興應(yīng)用的關(guān)鍵推動(dòng)力[1-2]。6G將以智能的方式連接大量的智能體，同時(shí)結(jié)合人工智能（artificial intelligence，AI）技術(shù)與其強(qiáng)大的感知能力，將物理世界和生物世界與網(wǎng)絡(luò)世界融合在一起，使網(wǎng)絡(luò)具有類似人類的認(rèn)知能力，助力萬物互聯(lián)到萬物智聯(lián)的轉(zhuǎn)變[3-4]。

隨著連接設(shè)備和移動(dòng)服務(wù)的快速增長，頻譜也變得越來越擁擠。傳統(tǒng)上，大多數(shù)商業(yè)通信系統(tǒng)都工作在 sub-6 GHz 頻段，可與現(xiàn)有的用于空中交通管制、氣象觀測等領(lǐng)域的雷達(dá)感知系統(tǒng)和諧共存。然而，日益增長的無線連接需求驅(qū)動(dòng)著無線通信頻段向毫米波、太赫茲和可見光等更高頻段擴(kuò)展，與傳統(tǒng)的雷達(dá)感知頻段產(chǎn)生越來越多的重疊，沿用通信系統(tǒng)和雷達(dá)感知系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)的模式將帶來嚴(yán)重的通感干擾問題[5]。因此，需要聯(lián)合設(shè)計(jì)通信和感知系統(tǒng)，通過頻譜共享和兼容性設(shè)計(jì)，減輕二者干擾，提升頻譜利用率。而且，隨著數(shù)字通信、超大規(guī)模天線、毫米波、太赫茲等技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)和雷達(dá)感知系統(tǒng)之間的差異逐漸縮小，為二者的聯(lián)合設(shè)計(jì)和硬件共享提供了可能。

· 雷達(dá)和通信在硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成方面具有很強(qiáng)的相似性和可實(shí)現(xiàn)性，傳統(tǒng)上由模擬硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)的雷達(dá)信號處理模塊正在被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)的數(shù)字設(shè)備所取代。

· 雷達(dá)和通信在天線結(jié)構(gòu)上越來越相似，相控陣是雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，其大量的發(fā)送單元和接收單元規(guī)則排布，形成了大規(guī)模天線陣列，而多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）技術(shù)同樣是通信大規(guī)模天線系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

· 毫米波、太赫茲等高頻段帶來的大帶寬，可同時(shí)支持高精度的感知和高速率的 通信。

另外，通信與雷達(dá)感知在信號處理與數(shù)據(jù)處理等方面呈現(xiàn)越來越多的相似之處，通過信息采集與信息傳遞流程融合處理，減少不必要的感知和通信行為，可降低處理時(shí)延，提升信息處理效率。

因此，將通信與感知融合共生，實(shí)現(xiàn)通信感知一體化（integrate2 sensing an2 communication，ISAC）已成為主流趨勢，也是當(dāng)前6G空口技術(shù)研究的熱點(diǎn)。ISAC是指基于軟硬件資源共享或信息共享實(shí)現(xiàn)感知與通信協(xié)同的新型信息處理技術(shù)，可有效提升系統(tǒng)頻譜效率、硬件效率和信息處理效率[6]。通過時(shí)頻空資源復(fù)用、硬件設(shè)備共享、空口及協(xié)議聯(lián)合設(shè)計(jì)等方式，實(shí)現(xiàn)通信功能與感知功能的統(tǒng)一管理，賦予無線網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)量的信息傳遞和信息采集能力，從而提升網(wǎng)絡(luò)整體性能和業(yè)務(wù)水平。ISAC的核心設(shè)計(jì)理念是在同一個(gè)系統(tǒng)中支持通信和感知兩個(gè)獨(dú)立的功能且實(shí)現(xiàn)二者相互促進(jìn)。感知將和通信一樣，成為6G網(wǎng)絡(luò)的原生能力。一方面，通信系統(tǒng)作為一個(gè)巨大的傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過無線電波的傳輸、反射和散射，感知物理世界，提供廣泛的感知服務(wù)；另一方面，通過感知獲得的高精度定位、成像和環(huán)境重建等結(jié)果也有助于提高通信服務(wù)的質(zhì)量和效率，例如將感知結(jié)果用于實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的波束成形、更快的波束故障恢復(fù)以及更低的信道估計(jì)開銷等。

毫米波等高頻段是實(shí)現(xiàn)ISAC的主流頻段。一方面，其提供的大帶寬可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速率通信和高精度感知，并可為兩個(gè)模塊提供低時(shí)延的信息交換和共享；另一方面，小型天線也有利于將通信和感知兩個(gè)功能進(jìn)行模塊化集成。然而，ISAC在實(shí)際應(yīng)用中面臨著環(huán)境依賴度高、覆蓋范圍有限、成本功耗高的挑戰(zhàn)。高頻信號傳輸路徑損耗高，非視距（non-line-of-sight，NLOS）路徑非常弱，而視距（line-of-sight，LOS）路徑容易被環(huán)境物體遮擋，使得ISAC系統(tǒng)的性能高度依賴于傳播環(huán)境，覆蓋范圍受限，存在較多的覆蓋盲區(qū)。為了彌補(bǔ)高頻信號的高路徑損耗，通常采用大規(guī)模MIMO技術(shù)，這帶來了高硬件成本和功耗的問題。

智能超表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）的出現(xiàn)為解決ISAC技術(shù)面臨的難題提供了全新的途徑。智能超表面以可編程的方式對空間電磁波進(jìn)行主動(dòng)的智能調(diào)控，有望突破傳統(tǒng)無線傳播環(huán)境的不可控性，定制傳播環(huán)境以滿足特定的系統(tǒng)要求[7]。結(jié)合RIS和ISAC技術(shù)具有以下三大優(yōu)勢。

· 擴(kuò)展系統(tǒng)覆蓋范圍。當(dāng)LOS路徑被遮擋時(shí)，RIS通過構(gòu)建虛擬視距（virtual line-of-sight，VLOS）路徑解決信號盲區(qū)覆蓋問題，提供盲區(qū)通信和感知服務(wù)；而當(dāng)存在VLOS路徑時(shí)，RIS通過提供額外的路徑，實(shí)現(xiàn)信號增強(qiáng)，擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋半徑。

· 提升通信和感知性能。傳統(tǒng)的通信或者雷達(dá)系統(tǒng)通過收發(fā)端的設(shè)計(jì)被動(dòng)地適應(yīng)無線傳播環(huán)境，RIS的引入將無線傳播環(huán)境也納入了ISAC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，提供了額外的空間自由度，通過收發(fā)端和無線傳播環(huán)境的聯(lián)合設(shè)計(jì)，可有效提升通信和感知的整體性能。

· 降低系統(tǒng)成本和功耗。RIS的應(yīng)用使得毫米波ISAC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)轉(zhuǎn)變至新型RIS輔助的中型MIMO系統(tǒng)，通過挖掘無源RIS的孔徑增益和波束成形增益，能夠以較低的硬件成本和功耗實(shí)現(xiàn)較好的通感性能。鑒于上述優(yōu)勢，目前在RIS系統(tǒng)中，已經(jīng)出現(xiàn)了一些關(guān)于ISAC的研究。

1 RIS系統(tǒng)ISAC研究現(xiàn)狀

ISAC根據(jù)感知目標(biāo)是合作式目標(biāo)還是非合作式目標(biāo)可分為無設(shè)備的（2evice-free，DF）ISAC和基于設(shè)備的（2evice-base2，DB）ISAC兩大類。DF ISAC涉及對非合作目標(biāo)的感知，感知目標(biāo)不參與感知的過程，例如對無人機(jī)等非合作目標(biāo)的探測，通過發(fā)送電磁波并接收目標(biāo)反射回波進(jìn)行測距、測速等。DB ISAC涉及對合作目標(biāo)進(jìn)行感知，感知目標(biāo)具有信息交互能力，主動(dòng)參與感知的過程，例如蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中對移動(dòng)終端的定位，基站發(fā)送定位參考信號給移動(dòng)終端，終端接收定位參考信號并上報(bào)測量值，協(xié)助完成定位。RIS系統(tǒng)ISAC研究分類如圖1所示，在對RIS系統(tǒng)ISAC的研究中沿用此分類概念[8]，分為DF ISAC和DB ISAC兩大類，其中DF ISAC根據(jù)通信和感知是否采用一體化波形又可分為雷達(dá)通信共存（ra2ar-communication coexistence，RCC）和雷達(dá)通信一體（2ual-functional ra2ar-communication，DFRC）兩種情況，而DB ISAC根據(jù)通信感知是否占用正交的時(shí)頻資源，分為正交ISAC和非正交ISAC兩種情況。

圖1 RIS系統(tǒng)ISAC研究分類

1.1 RIS系統(tǒng)DF ISAC研究

RIS系統(tǒng)RCC示意圖如圖2所示，通信和雷達(dá)感知共享頻譜資源，但采用不同的波形，利用RIS減輕通信和感知之間的干擾。例如，文獻(xiàn)[9]研究了利用RIS降低基站通信對MIMO雷達(dá)的干擾，通過聯(lián)合優(yōu)化基站主動(dòng)發(fā)射波束成形和RIS相移矩陣以最大化雷達(dá)檢測概率，同時(shí)滿足用戶的信干噪比（signal to interference an2 noise ratio，SINR）和功耗限制。研究結(jié)果表明，RIS可以有效抑制通信和雷達(dá)系統(tǒng)間的干擾以提高雷達(dá)檢測概率。更進(jìn)一步，文獻(xiàn)[10]研究了雙RIS系統(tǒng)RCC，通過部署兩個(gè)接近通信收發(fā)機(jī)的RIS以增強(qiáng)通信信號并抑制雷達(dá)和通信之間的干擾，在滿足雷達(dá)回波SINR約束條件下，最大化通信SINR。由此可見，RIS能夠通過其被動(dòng)波束成形，降低頻譜共享情況下通信和雷達(dá)間的干擾，進(jìn)而提升通信和感知性能。

圖2 RIS系統(tǒng)RCC示意圖

RIS系統(tǒng)DFRC示意圖如圖3所示，通信和感知采用一體化波形，二者不存在干擾，利用RIS實(shí)現(xiàn)盲區(qū)覆蓋[11]、通感信號增強(qiáng)[12-13]以及多用戶干擾抑制[14-15]。針對正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency 2ivision multiplexing，OFDM）—ISAC

系統(tǒng)的盲區(qū)目標(biāo)檢測問題，文獻(xiàn)[11]提出利用多個(gè)RIS構(gòu)建VLOS路徑，輔助ISAC基站進(jìn)行盲區(qū)目標(biāo)的感知，并通過聯(lián)合設(shè)計(jì)與頻率相關(guān)的主被動(dòng)波束成形，最大化雷達(dá)SINR和所有用戶中的最小通信SINR。與單個(gè)RIS場景相比，采用多個(gè)RIS可以實(shí)現(xiàn) 3.3 2B 的雷達(dá)SINR增強(qiáng)和 0.9 2B的最小通信SINR增強(qiáng)。文獻(xiàn)[12-13]研究了通過聯(lián)合設(shè)計(jì)基站和RIS主被動(dòng)波束成形設(shè)計(jì)，在通信信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）約束下最大化感知SNR，實(shí)現(xiàn)提升通信性能的同時(shí)增強(qiáng)反射路徑回波能量。此外，為緩解一體化波形設(shè)計(jì)約束所帶來的多用戶干擾（multi-user interference，MUI）問題，文獻(xiàn)[14-15]研究一體化波形和RIS波束成形的聯(lián)合設(shè)計(jì)問題。具體而言，文獻(xiàn)[14]提出了一體化波形和RIS相移矩陣聯(lián)合優(yōu)化方法，在滿足波束方向圖約束下最小化MUI，基于此研究了雷達(dá)和通信性能之間的權(quán)衡關(guān)系。結(jié)果表明，采用RIS可在保障感知性能的前提下，顯著提升系統(tǒng)的通信吞吐量。更進(jìn)一步，文獻(xiàn)[15]考慮更為實(shí)際的RIS反射模型，提出了恒模波形和離散RIS相移的聯(lián)合設(shè)計(jì)算法，在信號到達(dá)方向（2irection of arrival，DOA）估計(jì)的克拉美羅下界（Cramer-Rao lower boun2，CRLB）約束下最小化MUI。結(jié)果表明，所提算法可以顯著提高通信速率，并可在RIS離散相移的情況下，達(dá)到接近連續(xù)相移的性能。此外，文獻(xiàn)[15]還證明了當(dāng)感知目標(biāo)到一體化基站的距離遠(yuǎn)大于RIS到一體化基站的距離時(shí)，RIS的部署對感知影響較小，但可顯著提升通信的性能。

圖3 RIS系統(tǒng)DFRC示意圖

1.2 RIS系統(tǒng)DB ISAC研究

RIS系統(tǒng)DB ISAC示意圖如圖4所示。DB ISAC系統(tǒng)通常以具有信號收發(fā)功能的終端作為感知目標(biāo)（如圖4（a）所示）。將RIS部署于基站與終端之間，一方面，構(gòu)建基站與終端之間的VLOS路徑，實(shí)現(xiàn)盲區(qū)終端的通信與位置感知；另一方面，通過RIS波束成形設(shè)計(jì)增強(qiáng)通感信號，提升通信和感知性能。當(dāng)前對RIS系統(tǒng)DB ISAC研究中，通信功能與位置感知功能通常占用正交的時(shí)頻資源（如圖4（b）所示），通信階段與位置感知階段的設(shè)計(jì)也往往獨(dú)立進(jìn)行。

圖4 RIS系統(tǒng)DB ISAC示意圖

在對通信階段的研究中，通過聯(lián)合設(shè)計(jì)收發(fā)端的主動(dòng)波束成形與RIS的被動(dòng)波束成形，提高系統(tǒng)信噪比[16]、頻譜效率[17]、能量效率[18]以及可達(dá)速率[19]等性能指標(biāo)。在通信性能研究方面，文獻(xiàn)[16]證明了引入RIS可獲得正比于RIS陣元數(shù)平方的信噪比增益。在通信波束成形算法研究方面，文獻(xiàn)[17]研究了一種基于定點(diǎn)迭代與陣列流形優(yōu)化的波束成形算法，有效解決了RIS相位優(yōu)化中單位模限制問題，并大幅提升了系統(tǒng)的頻譜效率。文獻(xiàn)[18]考慮RIS輔助的下行多用戶通信場景，利用交替優(yōu)化技術(shù)與梯度下降搜索技術(shù)進(jìn)行波束成形設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)中繼輔助系統(tǒng)3倍的能量效率。此外，為了降低算法開銷，文獻(xiàn)[19]提出了一種基于角度的波束成形算法，通過聯(lián)合優(yōu)化基站發(fā)射波束與RIS反射系數(shù)以最大化系統(tǒng)可達(dá)速率。

在針對位置感知階段的研究中，將RIS作為位置已知的定位參考點(diǎn)，通過估計(jì)接收信號強(qiáng)度（receive2 signal strength，RSS）、到達(dá)角（angle of arrival，AOA）、離開角（angle of 2eparture，AOD）以及到達(dá)時(shí)間（time of arrival，TOA）等參數(shù)輔助終端定位，并利用RIS波束成形設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升定位精度。在位置感知性能研究方面，文獻(xiàn)[20]推導(dǎo)了RIS輔助的位置感知系統(tǒng)的CRLB，證明了在系統(tǒng)中引入RIS可獲得正比于RIS面積平方的定位精度增益。在位置感知算法研究方面，文獻(xiàn)[21]研究了一種基于RSS的多用戶定位算法，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)基于RSS定位方法3倍的定位精度。針對盲區(qū)定位的場景，文獻(xiàn)[22]研究了一種基于AOA與AOD估計(jì)的定位算法，可在RIS的輔助下實(shí)現(xiàn)對盲區(qū)用戶的厘米級定位精度。

在同一個(gè)系統(tǒng)中對通信和感知功能進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對通感時(shí)頻資源的靈活高效利用。鑒于此，文獻(xiàn)[23]針對RIS系統(tǒng)，提出了一種時(shí)分正交ISAC方法，其通信和位置感知占用不同的時(shí)間資源，通信和感知的性能可以通過調(diào)整時(shí)間分配比例進(jìn)行權(quán)衡。文獻(xiàn)[24]基于時(shí)分正交ISAC的概念，提出了一種基于拉格朗日乘數(shù)與卡羅需-庫恩-塔克（Karush-Kuhn-Tucker，KKT）條件的算法，對RIS波束成形及通感時(shí)間資源分配比例進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合最優(yōu)的定位誤差界與有效通信速率。為了進(jìn)一步提升無線資源利用率，文獻(xiàn)[25-26]針對半無源RIS系統(tǒng)，提出了一種非正交ISAC方法，支持盲區(qū)用戶在非正交/相同的時(shí)頻資源上同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信與位置感知功能。

1.3 小結(jié)

RIS系統(tǒng)ISAC研究現(xiàn)狀總結(jié)見表1，可分為DF ISAC和DB ISAC兩大類。DF ISAC又分為RCC和DFRC兩種情況：對于RCC，主要研究通過RIS波束成形降低通感之間的干擾；對于DFRC，主要研究利用RIS構(gòu)建VLOS路徑支持盲區(qū)通感，設(shè)計(jì)主被動(dòng)波束成形增強(qiáng)通感信號，通過一體化波形和RIS波束成形的聯(lián)合設(shè)計(jì)抑制多用戶干擾。對DB ISAC的研究可分為正交ISAC和非正交ISAC兩種情況，主要利用RIS提升終端通信速率和位置感知精度。

然而，當(dāng)前RIS系統(tǒng)ISAC研究中，對波束成形的設(shè)計(jì)指標(biāo)大多沿用原來通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)的性能評價(jià)指標(biāo)，例如通信速率、雷達(dá)感知CRLB等，或者采用間接的設(shè)計(jì)指標(biāo)，例如通信SINR、雷達(dá)回波SINR、波束方向圖及MUI等，在對通信和感知其中一者性能約束下，優(yōu)化另一者的性能，難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的通感性能。因此，尚需研究RIS系統(tǒng)ISAC聯(lián)合性能界，指導(dǎo)設(shè)計(jì)能夠逼近通感性能界的最優(yōu)波束成形。而且，當(dāng)前研究中，波束成形設(shè)計(jì)大多依賴于完美信道狀態(tài)信息（channel state information，CSI）的假設(shè)，而RIS級聯(lián)信道的估計(jì)往往涉及較高的導(dǎo)頻開銷，亟須研究基于部分低維CSI的一體化波束成形設(shè)計(jì)。此外，當(dāng)前對RIS系統(tǒng)ISAC的研究，基本還處在通感競爭的初期階段，還需進(jìn)一步探索如何實(shí)現(xiàn)通感相互促進(jìn)。

表1 RIS系統(tǒng)ISAC研究現(xiàn)狀總結(jié)

2 RIS系統(tǒng)的非正交ISAC設(shè)計(jì)

針對當(dāng)前RIS系統(tǒng)ISAC研究中，通感聯(lián)合性能界不明晰、波束成形依賴完美CSI的問題，提出了兩種非正交ISAC設(shè)計(jì)方法，利用分布式RIS構(gòu)建多條VLOS路徑，協(xié)助盲區(qū)用戶在非正交時(shí)頻資源上的通信和位置感知。首先提出了通感CRLB輔助的非正交ISAC設(shè)計(jì)方法，從估計(jì)誤差的角度出發(fā)，提出了通感聯(lián)合性能評價(jià)指標(biāo)，即通感CRLB，基于此聯(lián)合設(shè)計(jì)主被動(dòng)一體化波束成形，并證明了所提出的非正交ISAC方案在通信和感知性能方面均優(yōu)于傳統(tǒng)正交時(shí)分ISAC方案。然后，提出了感知輔助的非正交ISAC設(shè)計(jì)方案，利用感知信息進(jìn)行主被動(dòng)一體化波束成形設(shè)計(jì)，由此實(shí)現(xiàn)通感從單純競爭關(guān)系到既競爭又合作關(guān)系的轉(zhuǎn)變，而且規(guī)避了RIS級聯(lián)信道估計(jì)的高導(dǎo)頻開銷問題。

2.1 通感CRLB輔助非正交ISAC設(shè)計(jì)

通感CRLB輔助非正交ISAC示意圖如圖5所示，基站發(fā)送ISAC信號，在分布式RIS的協(xié)助下為盲區(qū)用戶同時(shí)提供通信和位置感知服務(wù)，其中分布式RIS由兩個(gè)子反射面組成。通感CRLB輔助非正交ISAC傳輸協(xié)議如圖6所示，整個(gè)ISAC過程包含N個(gè)相干時(shí)間塊，每個(gè)相干時(shí)間塊被進(jìn)一步等分為包含T個(gè)時(shí)隙（符號長度）的兩個(gè)子塊/相干處理間隔。在第 {1,2}k∈ 個(gè)子塊內(nèi)，第k個(gè)子反射面處于激活模式并按照預(yù)設(shè)波束成形參數(shù)工作，而另一個(gè)RIS處于非激活模式，用戶根據(jù)接收信號解調(diào)該子塊內(nèi)的T個(gè)信息符號并估計(jì)子反射面k到用戶的一對到達(dá)角?；谝粋€(gè)相干時(shí)間塊內(nèi)估計(jì)的兩對到達(dá)角，用戶可通過雙站交叉定位算法估計(jì)自身的位置。

圖5 通感CRLB輔助非正交ISAC示意圖

圖6 通感CRLB輔助非正交ISAC傳輸協(xié)議

對于所提出的非正交ISAC，其通信性能由每個(gè)子塊內(nèi)通信符號x (t ),t ∈{1,… , T}的傳輸性能所決定，而位置感知性能則由到達(dá)角的估計(jì)精度所決定。當(dāng)前對RIS系統(tǒng)ISAC的研究，大多沿用原通感分立系統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)，包括信道容量、SNR、頻譜效率等通信性能，以及CRLB、最小均方誤差、雷達(dá)檢測概率等感知性能指標(biāo)。然而，通信和感知采用分立的評價(jià)指標(biāo)，難以指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)逼近通感聯(lián)合性能界。因此，為了統(tǒng)一系統(tǒng)的通信性能與位置感知性能的評價(jià)指標(biāo)，類比感知CRLB，將通信CRLB定義為通信符號()x t的無偏估計(jì)量的CRLB，由此可將ISAC過程等價(jià)為對到 達(dá)角以及通信符號x (t)的聯(lián)合估計(jì)過程?；诖吮碚飨到y(tǒng)的通信與位置感知聯(lián)合性能，并提出非正交ISAC的聯(lián)合性能評價(jià)指標(biāo)，即通感CRLB：

其中，ζ表示權(quán)重系數(shù)，用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的通信性能與位置感知性能。C RLBx與 CRLBangle分別表示一個(gè)子塊內(nèi)的平均通信CRLB與感知CRLB，定義為：

基于所提出的通感CRLB，可通過聯(lián)合優(yōu)化基站主動(dòng)波束成形與RIS被動(dòng)波束成形調(diào)節(jié)系統(tǒng)的通感性能。具體而言，可將通感聯(lián)合性能的優(yōu)化問題構(gòu)建為對通感CRLB的最小化問題，并進(jìn)一步將問題分解為對基站波束成形向量與對RIS相位偏移向量優(yōu)化的子問題。對于通感CRLB最小化問題，通感CRLB同時(shí)涉及通信和感知性能，形式比較復(fù)雜，傳統(tǒng)僅考慮通信和感知一者性能的優(yōu)化方法不再適用。因此，提出基于分布估計(jì)算法（estimation of 2istribution algorithm，EDA）的優(yōu)化方法迭代優(yōu)化基站主動(dòng)波束成形與RIS被動(dòng)波束成形，以最小化通感CRLB，最終實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)通信性能與感知性能的有效調(diào)節(jié)與權(quán)衡。

2.2 感知輔助非正交ISAC設(shè)計(jì)

針對RIS陣元數(shù)量龐大所導(dǎo)致的級聯(lián)信道估計(jì)高導(dǎo)頻開銷難題，提出感知輔助非正交ISAC方法，利用感知信息進(jìn)行RIS一體化波束成形設(shè)計(jì)以兼顧通感性能，實(shí)現(xiàn)通感性能從單純競爭關(guān)系到既競爭又合作關(guān)系的轉(zhuǎn)變。

感知輔助非正交ISAC示意圖如圖7所示，用戶發(fā)送ISAC信號，系統(tǒng)在分布式RIS的協(xié)助下為盲區(qū)用戶同時(shí)提供上行數(shù)據(jù)傳輸和位置感知服務(wù)。該系統(tǒng)由基站、分布式RIS和位于盲區(qū)的用戶組成，其中分布式RIS由一個(gè)具有較多反射陣元的反射子面和兩個(gè)具有少量感知陣元的感知子面構(gòu)成。RIS的反射子面為用戶和基站間建立VLOS路徑，并通過被動(dòng)波束成形提升通信性能，而RIS的分布式感知子面則通過接收來自用戶的信號，估計(jì)信號到達(dá)角，進(jìn)而感知用戶的位置信息。

圖7 感知輔助非正交ISAC示意圖

感知輔助非正交ISAC傳輸協(xié)議如圖8所示，系統(tǒng)ISAC的基本單元為長度為T個(gè)時(shí)隙的ISAC相干塊（同一相干塊內(nèi)的信道保持不變），傳輸協(xié)議規(guī)定ISAC相干塊包含兩個(gè)階段。第一階段直接利用用戶和基站之間的低維度信道估計(jì)結(jié)果進(jìn)行主動(dòng)波束成形，第二階段基于感知到的用戶位置進(jìn)行聯(lián)合波束成形設(shè)計(jì)。

傳輸協(xié)議的第一階段包含 Δτ1+τ1個(gè)時(shí)隙（符號時(shí)隙），在此階段，RIS反射子面的被動(dòng)波束成形向量(1)Θ隨機(jī)生成且保持不變（反射子面被視為信道中的普通反射體）。在第一階段的前 1Δτ個(gè)時(shí)隙，系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的上行導(dǎo)頻訓(xùn)練方法，估計(jì)基站和用戶之間的低維有效信道信息（effective channel state information，ECSI）；在第一階段的后1τ個(gè)時(shí)隙，用戶發(fā)送ISAC信號，系統(tǒng)基于ECSI進(jìn)行波束成形，具體而言，用戶和基站分別采用最大比率傳輸（maximum ratio transmission，MRT）和最大比合并（maximum ratio combining，MRC）的方法確定主動(dòng)波束成形設(shè)計(jì)以最大化系統(tǒng)的通信性能，反射子面將信號由用戶反射至基站，與此同時(shí)，兩個(gè)感知子面將用戶直射信號和由反射子面反射而來的信號進(jìn)行處理，利用基于旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號參數(shù)估計(jì)（estimating signal parameter via rotational invariance techniques，ESPRIT）和多信號分類（multiple signal classification，MUSIC）算法，獲取用戶信號的到達(dá)角，由此計(jì)算用戶位置信息。

傳輸協(xié)議的第二階段包含 Δτ2+τ2個(gè)時(shí)隙，在此階段，聯(lián)合設(shè)計(jì)RIS反射子面的被動(dòng)波束成形向量ξ（n）、基站和用戶的主動(dòng)波束成形向量和第二階段的前 Δτ2個(gè)時(shí)隙，系統(tǒng)基于感知的位置信息設(shè)計(jì)主動(dòng)、被動(dòng)聯(lián)合波束成形以同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的感知和通信性能，考慮用戶對通信和感知性能的不同需求，通過引入通信感知權(quán)重因子λ構(gòu)建優(yōu)化問題并采用基于半正定松弛（semi-2efinite relaxation，SDR）和粒子群優(yōu)化（particle-swarm optimization，PSO）的方法分別求解相應(yīng)優(yōu)化問題，得到基于感知信息的聯(lián)合主動(dòng)被動(dòng)波束成形向量，最后系統(tǒng)將優(yōu)化后的波束成形配置信息告知基站和用戶；在第二階段的后2τ個(gè)時(shí)隙，用戶發(fā)送ISAC信號，系統(tǒng)采用優(yōu)化后的波束成形同時(shí)完成感知與通信任務(wù)。

圖8 感知輔助非正交ISAC傳輸協(xié)議

3 數(shù)值仿真結(jié)果

通過數(shù)值仿真，驗(yàn)證所提出的RIS系統(tǒng)非正交ISAC設(shè)計(jì)方法的有效性。

3.1 通感CRLB輔助非正交ISAC設(shè)計(jì)

本節(jié)給出通感CRLB輔助非正交ISAC設(shè)計(jì)方案的數(shù)值仿真結(jié)果與性能分析。通感CRLB輔助非正交ISAC仿真示意圖（俯視圖）如圖9所示，基站高度為10 m，RIS高度為5 m，用戶位于水平面，基站與RIS距離為30 m，RIS與用戶距離為10 m。如無特別說明，基站天線數(shù) t 8N=，RIS陣元數(shù)L=16，用戶配置天線數(shù)為 Nr=4 ×4的均勻矩形陣列，每個(gè)子塊內(nèi)包含時(shí)隙 2T=，權(quán)重系數(shù) 0.5ζ= 。

圖9 通感CRLB輔助非正交ISAC仿真示意圖（俯視圖）

為了以更為直觀的評價(jià)指標(biāo)衡量系統(tǒng)的通信性能，基于所提出的通信與位置感知聯(lián)合性能評價(jià)模型，根據(jù)通信CRLB與互信息的關(guān)系，將系統(tǒng)的通信互信息定義為發(fā)送信號()x t的熵與給定估計(jì)信號?()x t后發(fā)送信號()x t的條件熵之差：

其中，2

xσ表示發(fā)送信號()x t的分布方差。基于此，本節(jié)采用平均通信互信息作為通信性能的評價(jià)指標(biāo)，采用感知CRLB作為位置感知誤差的評價(jià)指標(biāo)。

基于通感CRLB的一體化波束成形與基于SNR的一體化波束成形的通感性能對比如圖10所示，在基于通感CRLB聯(lián)合性能界的波束成形方案中，通信互信息隨著感知CRLB的增加（即感知誤差的增加）而提升，證明通信和感知性能之間存在置換關(guān)系，可犧牲一者的性能換取另一者性能的提升，通過調(diào)整通感權(quán)重系數(shù)，可靈活權(quán)衡通信和位置感知性能，實(shí)現(xiàn)圖10中聯(lián)合性能界上的任意通感性能組合。相比之下，基于SNR的波束成形方案不僅無法達(dá)到最優(yōu)聯(lián)合性能界，而且只能實(shí)現(xiàn)固定的通信和感知性能（圖10中表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)）。在感知性能方面，基于通感CRLB的波束成形方案遠(yuǎn)優(yōu)于基于SNR的波束成形方案，在通信性能方面，前者略優(yōu)于后者。此外，二者在通感性能方面均遠(yuǎn)優(yōu)于隨機(jī)相位波束成形方案。

圖10 基于通感CRLB的一體化波束成形與基于SNR的 一體化波束成形的通感性能對比

非正交ISAC與時(shí)分正交ISAC性能對比如圖11所示，相比于正交時(shí)分ISAC方案，所提出的非正交ISAC方案能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的通信性能與位置感知性能。此外，隨著RIS陣元數(shù)的增加，兩者之間的性能差距變得更加明顯。證明所提出的非正交ISAC方案能夠在相同的時(shí)頻資源下實(shí)現(xiàn)更好的通感性能，頻譜效率得到了顯著的提升。

圖11 非正交ISAC與時(shí)分正交ISAC性能對比

3.2 感知輔助非正交ISAC設(shè)計(jì)

本節(jié)提供數(shù)值仿真以驗(yàn)證本文所提的感知輔助非正交ISAC設(shè)計(jì)方案的通感性能。感知輔助非正交ISAC仿真示意圖（俯視圖）如圖12所示，RIS反射子面和兩塊感知子面坐標(biāo)分別為（0 m，0 m，3 m）、（0 m，-5 m，3 m）和（0 m，5 m，3 m），基站高度為20 m且與RIS反射子面的距離為50 m，用戶高度為0 m且與RIS感知子面的距離為5 m。如無特別說明，RIS反射子面陣元規(guī)模為20×20（即反射子面陣元數(shù) cM=400），兩個(gè)感知子面規(guī)模為6×6（即感知子面陣元數(shù) sM=36），基站天線數(shù) B 16N=，用戶天線數(shù) U 16N=，相干塊時(shí)隙長度T=100，第一階段時(shí)隙長度1τ=5。

感知輔助非正交ISAC方案與基于完美CSI的純通信方案對比如圖13所示，其中通信性能指標(biāo)采用整個(gè)相干塊內(nèi)的平均通信速率表征，感知性能指標(biāo)采用用戶位置的定位誤差的均方根誤差（root mean square error，RMSE）表征。所提方案采用了基于感知信息的SDR波束成形方法，純通信方案采用了文獻(xiàn)[13]提出的基于完美CSI的交替優(yōu)化（alternating optimization，AO）波束成形算法。仿真結(jié)果表明，首先，所提感知輔助的波束成形策略能夠根據(jù)不同的通信和感知需求靈活地調(diào)整并兼顧通信和感知性能；而且，相比于基于完美CSI的純通信設(shè)計(jì)方案，所提感知輔助非正交ISAC設(shè)計(jì)方案可通過犧牲少量通信性能，換來厘米級精度的位置感知功能，并規(guī)避完美CSI估計(jì)帶來的高導(dǎo)頻開銷問題；此外，隨著感知陣元數(shù)的增加，所提感知輔助的非正交ISAC方案的通感性能均有明顯提升，且在通信性能方面與基于完美CSI的純通信方案的差距逐漸減小。

圖12 感知輔助非正交ISAC仿真示意圖（俯視圖）

圖13 感知輔助非正交ISAC方案與基于完美 CSI的純通信方案對比

感知對通感性能的影響如圖14所示，說明在相同的ECSI導(dǎo)頻開銷下，感知輔助的波束成形方案相比于基于ECSI的波束成形在通信和感知性能方面均具有顯著的優(yōu)勢，且能夠?qū)崿F(xiàn)對通感性能的靈活調(diào)整，滿足差異化的通感性能需求。不僅如此，在基于ECSI的波束成形方案中，通信和感知相互競爭空域資源。而在感知輔助的波束成形方案中，通信和感知不再是單純的競爭關(guān)系，第一階段獲取的粗感知結(jié)果可用于同時(shí)提升第二階段的通信和感知性能。具體而言，第一階段由于獲取的CSI有限無法進(jìn)行有效的波束成形設(shè)計(jì)，只能支持粗感知和低速通信，而第二個(gè)階段利用第一階段獲取的粗感知信息聯(lián)合設(shè)計(jì)基站、RIS和用戶的波束成形，可同時(shí)支持高精度感知和高速率通信，在實(shí)現(xiàn)感知的同時(shí)增強(qiáng)通信和感知性能。另外，相比于基于完美CSI的波束成形方案，感知輔助的波束成形方案隨著感知陣元數(shù)量 sM的增加可達(dá)到與基于完美CSI的波束成形（RIS輔助純通信系統(tǒng)）相近的可達(dá)速率，且具有更低的導(dǎo)頻開銷?；谕昝繡SI的波束成形，采用基于級聯(lián)信道的信道估計(jì)方法獲取高維CSI，導(dǎo)頻開銷為RIS陣元數(shù)和用戶天線數(shù)量的乘積（即 McNU）[27]且隨RIS陣元數(shù)的增加呈線性增長，而所提出的感知輔助波束成形，僅需估計(jì)低維度的等效信道，導(dǎo)頻開銷僅為用戶天線數(shù) UN且與RIS陣元數(shù)量無關(guān)，從而規(guī)避了高維度RIS級聯(lián)信道估計(jì)導(dǎo)致的高導(dǎo)頻開銷。

圖14 感知對通感性能的影響

4 技術(shù)挑戰(zhàn)與展望

對RIS系統(tǒng)ISAC的研究表明RIS在抑制通感干擾、服務(wù)盲區(qū)通感、提升通感性能方面具有顯著優(yōu)勢，然而當(dāng)前RIS系統(tǒng)ISAC研究尚處在初期階段，在通感聯(lián)合性能評估、一體化波形設(shè)計(jì)、一體化波束成形設(shè)計(jì)以及一體化參數(shù)估計(jì)等方面仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。

4.1 RIS系統(tǒng)通感聯(lián)合性能評估模型

對通感聯(lián)合性能進(jìn)行表征，形成統(tǒng)一的評價(jià)指標(biāo)，是權(quán)衡和提升通感性能的理論基礎(chǔ)。在RIS系統(tǒng)ISAC研究中，通信和感知共享硬件系統(tǒng)和時(shí)頻資源，二者性能相互耦合，傳統(tǒng)單一評價(jià)通信性能或者感知性能的指標(biāo)不再適用，RIS的引入也會同時(shí)影響通信和感知的性能，使得對通感聯(lián)合性能的量化和評價(jià)變得更加的復(fù)雜?，F(xiàn)有通感聯(lián)合性能評價(jià)指標(biāo)主要包括以下3類。

（1）基于等效均方誤差的聯(lián)合性能評估模型，將通信的過程等效為隨機(jī)變量參數(shù)估計(jì)的過程，采用等效均方估計(jì)誤差對通信性能進(jìn)行表征，從而建立起統(tǒng)一通信性能和感知性能的聯(lián)合性能評估模型。

（2）基于等效速率的聯(lián)合性能評估模型，類比通信速率，根據(jù)感知參數(shù)和觀測信號間的互信息，為感知性能定義一個(gè)等效估計(jì)速率，從而統(tǒng)一感知和通信評價(jià)指標(biāo)。

（3）基于容量-失真函數(shù)的聯(lián)合性能評估模型，采用容量-失真函數(shù)表示在感知失真度限制下的最大通信容量，從而建立起體現(xiàn)通信容量和感知精度折中關(guān)系的另外一種聯(lián)合性能評估模型。

然而，上述通感聯(lián)合性能評估模型考慮的信道模型和場景比較簡單，針對RIS系統(tǒng)中復(fù)雜ISAC場景和級聯(lián)信道模型，需要建立更加實(shí)際和準(zhǔn)確的聯(lián)合性能評價(jià)模型。

4.2 RIS系統(tǒng)一體化波形設(shè)計(jì)

一體化波形設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)ISAC的里程碑式的技術(shù)，是ISAC設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的技術(shù)，由于通信和感知在需求上存在差異，現(xiàn)有的波形無法滿足實(shí)際的應(yīng)用。目前主要的研究方向?yàn)榛谕ㄐ呕蚋兄ㄐ蔚囊惑w化波形研究和新型ISAC波形研究。前者由于不是專有波形，無法很好地兼顧通信和感知需求，而對新型ISAC波形的研究目前尚處于初期，波形設(shè)計(jì)往往是針對特定的場景，從求解優(yōu)化問題的角度出發(fā)，所設(shè)計(jì)的一體化波形依賴于特定的場景，普適性較差。而RIS系統(tǒng)一體化波形研究中，一體化波形設(shè)計(jì)和RIS配置相互耦合，進(jìn)一步增加了波形設(shè)計(jì)的難度。

因此，需要研究兼顧通感性能的RIS一體化波形設(shè)計(jì)方法，基于所構(gòu)建的RIS系統(tǒng)ISAC聯(lián)合性能評估模型，分析RIS配置和一體化波形設(shè)計(jì)對通信性能和感知性能的影響，綜合考慮波形的通信保障特性、感知保障特性以及對RIS等不同系統(tǒng)配置的普適性，明確一體化波形的設(shè)計(jì)指標(biāo)，包括可攜帶數(shù)據(jù)能力、最大用戶數(shù)、感知精度、能耗、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、靈活性和普適性等，進(jìn)而確定一體化波形的設(shè)計(jì)框架。在此框架下，通過設(shè)計(jì)一體化波形的可調(diào)參數(shù)，最優(yōu)化RIS系統(tǒng)通感聯(lián)合性能指標(biāo)，例如最小化等效均方誤差或最大化等效速率/容量失真函數(shù)，實(shí)現(xiàn)通感性能兼顧。

4.3 RIS系統(tǒng)一體化波束成形設(shè)計(jì)

通過收發(fā)端有源波束和RIS無源波束的聯(lián)合設(shè)計(jì)，可有效提升通信速率和感知精度。按照優(yōu)化的目標(biāo)，現(xiàn)有RIS一體化波束成形研究主要分通信性能主導(dǎo)和感知性能主導(dǎo)兩種。第一種通信性能主導(dǎo)的情況，波束成形設(shè)計(jì)目標(biāo)為在感知性能滿足一定約束條件下，最大化通信性能，例如在感知失真度限制下最大化通信用戶和速率。第二種感知性能主導(dǎo)的情況，波束成形設(shè)計(jì)目標(biāo)為通信性能滿足一定約束條件下，最大化感知性能，例如在通信SINR約束條件下最大化雷達(dá)效用或在通信誤碼率約束條件下最大化雷達(dá)回波SINR。然而，由于現(xiàn)有的RIS一體化波束成形大多基于原有的通信性能指標(biāo)和感知性能指標(biāo)，難以實(shí)現(xiàn)逼近通感聯(lián)合性能界的最優(yōu)效果，因此需要基于統(tǒng)一的通感性能評價(jià)指標(biāo)，探索逼近通感性能界的最優(yōu)波束成形。

現(xiàn)有的RIS一體化波束成形依賴于完美的信道狀態(tài)信息，然而實(shí)際中由于噪聲、用戶的移動(dòng)性、干擾等不利因素，信道估計(jì)總會存在誤差。而且有時(shí)為了降低RIS級聯(lián)信道估計(jì)的導(dǎo)頻開銷，僅通過少量的導(dǎo)頻訓(xùn)練獲取部分CSI（例如統(tǒng)計(jì)CSI、角度信息等）。因此，針對不完美CSI，或者在僅有部分低維CSI的實(shí)際情況下，如何設(shè)計(jì)有效的RIS一體化波束成形尚需研究。

此外，由于RIS大規(guī)模的天線陣列，RIS一體化波束成形涉及高維參數(shù)優(yōu)化問題，存在波束成形復(fù)雜度高的問題，需要探索低復(fù)雜度的波束成形方法?？煽紤]從以下幾方面降低聯(lián)合波束成形設(shè)計(jì)的復(fù)雜度：利用信道稀疏性和角度域特性降低優(yōu)化參數(shù)的維度；利用感知的信息簡化波束成形設(shè)計(jì)；采用機(jī)器學(xué)習(xí)、交替優(yōu)化等手段降低算法復(fù)雜度。

4.4 RIS系統(tǒng)一體化參數(shù)估計(jì)

一體化參數(shù)估計(jì)算法性能與RIS系統(tǒng)ISAC性能緊密相關(guān)，直接關(guān)系到通感服務(wù)質(zhì)量的好壞，現(xiàn)有研究對通信參數(shù)（信道估計(jì)、信號解調(diào)等）與感知參數(shù)（角度、速度、距離等）的估計(jì)通常是分開進(jìn)行的。通信參數(shù)的估計(jì)包括對信道的估計(jì)以及對信息符號的解調(diào)。由于RIS的無源特性，一般通過對RIS反射模式（例如ON/OFF模式）的設(shè)計(jì)，在收發(fā)端估計(jì)RIS級聯(lián)信道，并通過陣元分組、壓縮感知等方法降低級聯(lián)信道的估計(jì)復(fù)雜度。對信息符號的解調(diào)方法包括最小二乘、最小均方誤差以及最大似然估計(jì)等算法。感知參數(shù)的估計(jì)主要包括估計(jì)目標(biāo)的角度、距離、速度等信息，常用的感知參數(shù)估計(jì)方法包括：易于實(shí)現(xiàn)但分辨率低的周期圖方法，例如二維傅里葉變換；適用于低維度信號場景下的最大似然估計(jì)；適用于非連續(xù)樣本的子空間算法，例如MUSIC；適用于待估參數(shù)較少情況下的壓縮感知技術(shù)；適用于高維度信號參數(shù)估計(jì)的張量算法技術(shù)。

然而，對于RIS系統(tǒng)一體化參數(shù)估計(jì)，通信性能與感知性能相互耦合，分開估計(jì)通信參數(shù)和感知參數(shù)將導(dǎo)致較高的通信系統(tǒng)資源開銷、較低的通信與感知效率，亟須研究通信和感知參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，而一體化系統(tǒng)中通信參數(shù)和感知參數(shù)相互耦合又極大增加了聯(lián)合估計(jì)的難度。此外，RIS一方面有助于提升參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確度，另一方面也帶來了更多的待估參數(shù)，這進(jìn)一步增加了參數(shù)估計(jì)的復(fù)雜度。因此，尚需研究低復(fù)雜度、高準(zhǔn)確度的RIS一體化參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，以提升系統(tǒng)通信與感知效率，降低系統(tǒng)的資源開銷。

5 結(jié)束語

本文在梳理RIS系統(tǒng)ISAC研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出了兩種非正交ISAC方法，利用分布式RIS構(gòu)建虛擬視距路徑，支持盲區(qū)用戶在非正交時(shí)頻資源上的通信和感知。首先，提出了一種通感CRLB輔助非正交ISAC設(shè)計(jì)方法，基于通感CRLB統(tǒng)一了通信和感知性能評價(jià)指標(biāo)，指導(dǎo)了RIS一體化波束成形設(shè)計(jì)，并證明了非正交ISAC在通信和感知性能方面均優(yōu)于時(shí)分正交ISAC。之后，提出了一種感知輔助非正交ISAC設(shè)計(jì)方法，利用感知信息設(shè)計(jì)RIS一體化波束成形以兼顧通感性能，實(shí)現(xiàn)通信和感知從單純的競爭關(guān)系到既競爭又合作關(guān)系的轉(zhuǎn)變，并且規(guī)避了RIS級聯(lián)信道估計(jì)帶來的高導(dǎo)頻開銷問題。最后，對RIS系統(tǒng)ISAC的技術(shù)挑戰(zhàn)和未來發(fā)展進(jìn)行了展望。