基于通感一體化技術(shù)的自適應(yīng)調(diào)制方案

李本翔，向路平，胡 杰，楊 鯤

(電子科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，四川 成都 611731)

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量急劇增加，產(chǎn)生了許多新的通信場景和需求[1-2]，例如車聯(lián)網(wǎng)(Vehicle-to-Everything，V2X)、物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)等。未來6G承載多種智能應(yīng)用的V2X系統(tǒng)不僅對通信性能有著較高的要求[3]，還要完成一定的感知任務(wù)。然而，隨著通信系統(tǒng)的載波頻段不斷提升，已經(jīng)和雷達(dá)感知的頻段相近，這會對雷達(dá)感知造成干擾，同時雷達(dá)也會影響通信性能。而通感一體化技術(shù)(Integrated Sensing and Communication，ISAC)是解決這一問題的關(guān)鍵，并且如今對于V2X系統(tǒng)中ISAC技術(shù)的研究已經(jīng)獲得了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[4]。

傳統(tǒng)的通信和雷達(dá)系統(tǒng)使用不同的正交頻帶并進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計[5]。然而隨著大規(guī)模天線技術(shù)發(fā)展和毫米波技術(shù)的應(yīng)用，通信和雷達(dá)系統(tǒng)的性能都得到了大幅提升，并且可以共用一些硬件設(shè)備和頻譜資源，例如大規(guī)模天線雷達(dá)和大規(guī)模天線通信[6]。此外，在載波頻率達(dá)到毫米波頻段時，雷達(dá)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的信道特性和信號處理方法十分相似[7]。正是由于這些相似性，具有感知和雷達(dá)集成增益的ISAC被認(rèn)為是一種很有前景的技術(shù)。例如，在基于ISAC的V2X網(wǎng)絡(luò)中，路邊單元(Roadside Unit, RSU)通過利用從車輛上反射的ISAC回波信號來預(yù)測車輛的位置，從而提供更好的通信服務(wù)[8]。

發(fā)射機(jī)可以通過多種方式利用回波中的隱藏信息提高通信性能，包括自適應(yīng)調(diào)制(Adaptive Modulation，AM)、波束成形和自適應(yīng)編碼等。眾所周知，AM是一種基于信道估計來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)容量的簡單且有效的方法[9]。通常，發(fā)射機(jī)從上行導(dǎo)頻信號中獲取信道信息，并根據(jù)誤碼率(Bit Error Rate，BER)選擇調(diào)制方案來提升通信性能。例如，文獻(xiàn)[10]提出了一種自適應(yīng)編碼和調(diào)制(Adaptive Coding and Modulation，ACM)技術(shù)，該技術(shù)根據(jù)來自上行導(dǎo)頻反饋的飛機(jī)之間的距離信息確定調(diào)制和編碼方式。同時，文獻(xiàn)[11]使用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)(Deep Reinforcement Learning，DRL)根據(jù)導(dǎo)頻反饋的歷史信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)預(yù)測調(diào)制模式。然而，在ISAC系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)可以直接從雷達(dá)回波信號中獲得信道信息，無需導(dǎo)頻交互的過程。

如何根據(jù)反射的回波做出決策對ISAC系統(tǒng)來說是一個重要的挑戰(zhàn)。通常，這個過程被分為兩個步驟：① 從回波中估計反射體的位置和速度信息并由此估計信道狀態(tài)；② 提升各種通信技術(shù)[5,12-15]。文獻(xiàn)[12]使用匹配濾波估計用戶的位置和速度，實(shí)時調(diào)整車輛的波束寬度，以此來覆蓋整個車輛。同樣，在匹配濾波之后，也可以利用擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter，EKF)[13]、因子圖[14]等方法實(shí)現(xiàn)波束預(yù)測。此外，數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)也與ISAC系統(tǒng)相結(jié)合用來適應(yīng)復(fù)雜的時變環(huán)境[15]，例如文獻(xiàn)[5]根據(jù)估計的信道狀態(tài)信息采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep Neural Networks ，DNNs)進(jìn)行波束預(yù)測。這些研究已經(jīng)證明了ISAC系統(tǒng)的優(yōu)越性。然而，ISAC系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制方案的設(shè)計還存在空缺，因此本文主要考慮基于ISAC系統(tǒng)AM的實(shí)現(xiàn)，并與傳統(tǒng)通信進(jìn)行比較。

本文提出了一種ISAC系統(tǒng)傳輸協(xié)議，能夠基于回波預(yù)測下一個時刻的調(diào)制模式。相比于傳統(tǒng)通信減少了導(dǎo)頻開銷，提升了信道容量，并且減少了信道預(yù)測過程帶來的計算資源消耗。為了實(shí)現(xiàn)所提出的框架，采用DRL算法來實(shí)現(xiàn)AM，根據(jù)車輛距離預(yù)測下一時刻的調(diào)制模式，在保證滿足誤碼率約束同時，最大化通信容量。具體來說，RSU從回波中提取車輛的距離信息，并且將歷史距離作為DRL狀態(tài)輸入，下一時刻調(diào)制模式作為DRL動作輸出。

1 系統(tǒng)建模

如圖1所示，本文考慮了V2X場景下基于ISAC的多輸入多輸出(Multiple-input Multiple-output，MIMO)系統(tǒng)，一個配備了兩組均勻線性陣列天線(Uniform Linear Array，ULA)RSU為一輛車提供服務(wù)。其中，RSU包含Nt根發(fā)射天線和Nr根接收天線。通過多天線，RSU能夠向車輛發(fā)射下行ISAC信號并接收反射回波。

圖1 基于ISAC的系統(tǒng)通信模型

1.1 傳輸協(xié)議

如圖2(a)所示，RSU與車輛之間的傳輸數(shù)據(jù)流被劃分為不同的時隙。在傳統(tǒng)通信中的AM策略依賴于車輛的上行導(dǎo)頻來獲得CSI從而做出決策[10-11]，而在車輛高速移動的V2X網(wǎng)絡(luò)下，信道狀態(tài)時刻變化，頻繁的導(dǎo)頻交互會導(dǎo)致通信資源的浪費(fèi)，也會導(dǎo)致信道估計的滯后。

ISAC輔助的傳輸協(xié)議可以有效地解決這個問題。如圖2(b)所示，在本文提出的基于ISAC的傳輸協(xié)議中，發(fā)射機(jī)連續(xù)發(fā)送ISAC信號用于下行通信和感知。具體來說，ISAC系統(tǒng)將每個時隙分為兩個階段：① 信號傳輸和回波接收；② 信號處理。例如，在第一階段，RSU根據(jù)上個時隙預(yù)測的調(diào)制模式傳輸ISAC信號并接收回波信號。在第二階段，RSU首先從回波信號中提取車輛的距離信息，然后根據(jù)距離直接預(yù)測下一個時隙的調(diào)制模式。因此，由于舍去了上下行導(dǎo)頻信號，ISAC系統(tǒng)下的AM相比于傳統(tǒng)通信能較大程度的提升系統(tǒng)容量，并且省去了信道預(yù)測的過程，一定程度上減少了計算資源的消耗。

(a) 傳統(tǒng)AM

1.2 感知模型

在車輛運(yùn)動過程中，RSU可以使用ISAC信號感知車輛的位置。假設(shè)t時刻RSU傳輸給車輛的信息為s(t)，所以RSU發(fā)送的下行信號表示為：

(1)

RSU通過天線接收車輛反射的ISAC回波。因?yàn)楣馑僮銐蚩?，本文假設(shè)車輛的位置在一個傳輸時隙中保持不變。所以反射的回波可以表示為：

(2)

RSU在接收到車輛反射回波后，采用匹配濾波的方法獲得信號的時延和多普勒頻移，由此估計車輛的距離和速度。匹配濾波如下所示：

(3)

式中，ΔTe表示 ISAC回波信號的持續(xù)時間。根據(jù)時延τn和多普勒頻移υn，車輛的距離dn和速度μn可以表示為：

(4)

(5)

式中，fc為載波頻率。

1.3 通信模型

裝有單天線的車輛在t時刻接收到由RSU發(fā)送的下行信息可以表示為：

(6)

(7)

(8)

基于式(6)和式(8)，車輛接收信號的SNR可以表示為：

(9)

假設(shè)RSU使用多進(jìn)制正交幅度調(diào)制(Multiple Quadrature Amplitude Modulation，MQAM)，并且每個調(diào)制符號被傳輸?shù)母怕识家粯印８鶕?jù)文獻(xiàn)[18], 傳輸系統(tǒng)容量C*可以被上界和下界約束為:

Clow≤C*≤Cupper,

(10)

式中，上下邊界Clow和Cupper可以表示為：

(11)

式中，M表示RSU選擇的調(diào)制方式，χ表示調(diào)制星座點(diǎn)的集合，其中，xi和xj表示在集合中的任何一對調(diào)制符號。并且根據(jù)文獻(xiàn)[18]，Clow和Cupper是漸進(jìn)緊的。因此，使用Cupper作為C去衡量系統(tǒng)的最大容量，可以描述為[19]：

(12)

此外，假設(shè)每個星座點(diǎn)的最近鄰數(shù)量均為4，則誤碼率可以表示為[20]：

(13)

式中，函數(shù)F(x)表示如下:

(14)

在式(12)～(13)的基礎(chǔ)上，可以建立一個優(yōu)化問題，在保證誤碼率滿足要求的同時提高通信速率：

(15)

s.t.ρ≤ρ0，

(16)

式中，ρ0為給定瞬時誤碼率上界。

2 DRL算法設(shè)計

本節(jié)基于文獻(xiàn)[21]提出了一種基于DRL的AM算法，DRL 智能體會根據(jù)狀態(tài)選擇具體的調(diào)制模式，這個過程可以被建模為一個馬爾可夫決策過程(Markov Decision Process，MDP)。由于車輛在V2X網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)不斷變化，基本的RL算法的Q表不能管理無限連續(xù)的狀態(tài)空間，而DRL使用DNN建立Q表，然后通過更新DNN的權(quán)重來更新Q表[22]，可以較好地適應(yīng)大規(guī)模動態(tài)環(huán)境[23]。如圖3所示，本文采用經(jīng)驗(yàn)重放和固定目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)策略來加速訓(xùn)練過程[24]。

圖3 DRL結(jié)構(gòu)

(17)

(18)

基于所提出的ISAC傳輸協(xié)議，DRL網(wǎng)絡(luò)的輸入為汽車當(dāng)前距離dt和前k個時刻的距離{dt-1,dt-2,…,dt-k}，輸出為預(yù)測的下一個時隙調(diào)制模式。因此，對DRL的狀態(tài)空間、動作空間、即時獎勵定義如下。

狀態(tài)空間即所有可能的狀態(tài)集合。具體時刻t的狀態(tài)由(k+1)個車輛距RSU的距離組成?？梢悦枋鰹椋?/p>

st={dt,dt-1,…,dt-k}。

(19)

動作空間包括所有可能選擇的調(diào)制模式，如下所示：

A={M1,M2,…,MP},

(20)

在時隙j選擇的動作aj∈A。

即時獎勵為了在保證最佳的通信速率和質(zhì)量，即時獎勵被設(shè)計為：

(21)

式中，Ct+1和ρt+1可分別用式(12)～(13)計算。ρ0為最大瞬時誤碼率。該算法在約束ρt+1<ρ0下使Ct+1最大化，來實(shí)現(xiàn)下一時隙調(diào)制模式的預(yù)測，并由此解決式(15)～(16)中描述的優(yōu)化問題。DRL具體實(shí)現(xiàn)如算法1所示。

算法1 DRL算法輸入:存儲空間O,獎勵衰減γ,學(xué)習(xí)速率l,樣本數(shù)量B,初始化:分別用隨機(jī)權(quán)值θ+和θ-初始化Q網(wǎng)絡(luò)和目標(biāo)Q^網(wǎng)絡(luò)1. forepisode=1, E do2. 初始化狀態(tài)s13. fori= 1, I do4.根據(jù)貪婪因子隨機(jī)選擇動作為隨機(jī)值 或者最大Q值對應(yīng)動作,即ai=argmaxaQ(si,a;θ+)5.執(zhí)行動作ai,得到獎勵ri和下一個狀態(tài)si+16.將(si,ai,ri,si+1)存儲到O7.隨機(jī)在存儲空間采樣B個元組(sj,aj,rj,sj+1)8.計算ytarget j=rj+γmaxa'Q^(sj+1,a';θ-),并跟據(jù)預(yù)測誤差對Q網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值θ+進(jìn)行梯度下降更新,預(yù)測誤差計算如式(17)9.每隔J步更新目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)Q^=Q10. end for 11.end for

3 仿真結(jié)果

本節(jié)利用一些數(shù)值結(jié)果來評估所提算法的有效性。在所考慮的V2X系統(tǒng)中，N0=N1=-50 dBm。使用笛卡爾坐標(biāo)系來表示RSU與車輛之間的空間關(guān)系，RSU定義在[0 m, 0 m]，車輛坐標(biāo)為[X,Y]。為不失一般性，設(shè)置Y為30 m。此外，假設(shè)車輛的初始速度μ0為23 m/s，車輛從道路左邊界[-150 m, 30 m]駛向右邊界[150 m, 30 m]，加速度設(shè)置為a～N(0, 5 m/s2)。此外，假定發(fā)射機(jī)支持6種調(diào)制模式：0、4QAM、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM，模式0意味著發(fā)射機(jī)繼續(xù)傳輸4QAM信號僅進(jìn)行感知。并且將輸入的距離信息進(jìn)行歸一化處理，設(shè)k=5。其他仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

本文使用如下基線來評價系統(tǒng)的性能：

傳統(tǒng)導(dǎo)頻訓(xùn)練考慮文獻(xiàn)[9]中使用的傳統(tǒng)通信方案，它從導(dǎo)頻交互中得到過時的CSI。本文直接使用此時刻ht作為下一時刻ht+1來選擇調(diào)制模式，其中導(dǎo)頻開銷假定為8%[25]。

理想模式根據(jù)完美CSI選擇給定瞬時BER約束下最優(yōu)調(diào)制模式。

DRL算法它建立在本文提出的考慮歷史距離的ISAC系統(tǒng)上。DRL中的DNN由一個包含(k+1)個神經(jīng)元的輸入層，3個分別包含200、100和40個神經(jīng)元的全連接隱藏層和一個包含6個神經(jīng)元的輸出層組成。此外，對DRL的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，例如存儲大小O、獎勵衰減γ、學(xué)習(xí)速率l，樣本數(shù)量B，更新間隔J分別設(shè)置為5 000、0.2、0.005、256、100，并且訓(xùn)練迭代次數(shù)E×I=1 000×1 000 。

自回歸(Auto Regressive，AR) 本文采用基于預(yù)測的AR算法，并將其運(yùn)用到提出的ISAC自適應(yīng)調(diào)制協(xié)議中，從而與本文提出的DRL算法進(jìn)行進(jìn)一步對比。即發(fā)射機(jī)通過回波估計信道狀態(tài)，然后使用AR預(yù)測下一時刻信道狀態(tài)，基于預(yù)測的信道狀態(tài)選擇調(diào)制模式。本文使用burg方法來估計AR模型的系數(shù)。

圖4展示了平均吞吐量(bit/s)和BER的對比。由圖4(a)可以看出，由于導(dǎo)頻符號占據(jù)一部分信息符號，傳統(tǒng)方法的平均吞吐量最低。AR、理想、DRL方法的平均吞吐量接近，證明了ISAC系統(tǒng)確實(shí)能夠提高通信速率。圖4(b)展示了模式選擇臨界點(diǎn)BER的比較，可以看出DRL可以滿足瞬時BER的約束，保證了信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(a) 吞吐量比較

圖5為車輛運(yùn)動過程中RSU在模式切換臨界點(diǎn)附近模式選擇的比較。由圖5可知，傳統(tǒng)方法使用的過時的CSI，所以具有滯后性，而基于回波的ISAC策略可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測調(diào)制方案。

圖5 不同方法下模式選擇隨時間變化

4 結(jié)束語

本文考慮了ISAC系統(tǒng)下的自適應(yīng)調(diào)制方案設(shè)計，在V2X網(wǎng)絡(luò)中RSU根據(jù)車輛的位置提供不同調(diào)制模式來提升通信性能。在該場景下，RSU接收到車輛反射的回波信號后，通過匹配濾波估計車輛的距離和速度。為了在保證通信質(zhì)量的情況下最大化容量，RSU根據(jù)當(dāng)前車輛的距離，采用DRL算法預(yù)測下一時隙的調(diào)制模式。仿真結(jié)果表明，本文采用的基于ISAC的DRL算法能夠準(zhǔn)確地預(yù)測調(diào)制模式，相較于傳統(tǒng)通信在保證誤碼率的情況下，通信容量有較大的提升，并且具有較好的魯棒性。此外，本文僅考慮了視距信道，在今后的工作中可以考慮在有非視距信道影響下的自適應(yīng)調(diào)制問題。