通信感知一體化波形設(shè)計(jì)方法綜述

徐勇軍,曹 娜,陳前斌

(1. 重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,重慶 400065;2. 移動通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

0 引 言

以5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等為代表的新一代信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)施已成為推動中國數(shù)字經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的重要驅(qū)動力。國務(wù)院發(fā)布的《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》指出,“加快信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè),前瞻布局第六代移動通信(6G)技術(shù),將有力促進(jìn)經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展,增強(qiáng)國家競爭力”。同時,美國、歐盟和日本等國紛紛加緊了6G技術(shù)研發(fā)布局,希望搶占6G通信核心技術(shù)制高點(diǎn),可見6G已成為大國科技競爭焦點(diǎn),也是中國重大戰(zhàn)略需求。

中國6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組在2021年發(fā)布了《6G總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)》白皮書[1],其中指出,“6G將面向以智慧城市、智慧交通、智慧醫(yī)療等為代表的新型垂直應(yīng)用場景,支持?jǐn)?shù)字孿生、多感官數(shù)字沉浸式擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、全息通信等多樣化全新應(yīng)用和服務(wù)”。為實(shí)現(xiàn)上述愿景,未來的6G網(wǎng)絡(luò)將從單一通信進(jìn)化為一個包含無線通信、感知、計(jì)算和人工智能的多功能綜合性平臺,除了具備傳統(tǒng)的無線通信能力外,亦具備對周圍環(huán)境的多維度感知能力以獲取物理空間信息。因此,將通信與感知融合共生實(shí)現(xiàn)通感一體化已成為主流趨勢與研究熱點(diǎn)。

隨著通信和感知設(shè)備的激增,巨大的業(yè)務(wù)需求與有限頻譜資源的矛盾日益突出,MIMO天線的出現(xiàn)極大豐富了空間資源的使用,為通信感知融合提供了新的可能[2];通信系統(tǒng)與感知系統(tǒng)在硬件實(shí)現(xiàn)層面越來越相近,這為通信和感知提供了進(jìn)一步融合的可能;基站的頻率向著毫米波、太赫茲等高頻段發(fā)展,而高頻段能夠獲得更為精準(zhǔn)的感知信息,這無疑為通信感知一體化提供了巨大可能。通感一體化作為鏈接生物物理世界與數(shù)字世界高效互通的技術(shù),是智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧城市等場景的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前,該領(lǐng)域的研究主要包括通感一體化的概念和特點(diǎn)[2-3]、收發(fā)器架構(gòu)[4-5]、面向環(huán)境感知的資源分配[6-7]、時空頻域信號處理[8-9]、實(shí)驗(yàn)性能演示與測試[10-11]等。然而,通感一體化的許多重要問題仍未得到有效解決,如系統(tǒng)極限性能分析、最優(yōu)通感一體化空間分布方案和信號處理算法等。特別是如何設(shè)計(jì)出一種能夠同時滿足高速率傳輸和高精度感知的一體化波形,是亟須進(jìn)一步解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

為此,本文對通感一體化波形設(shè)計(jì)方法進(jìn)行綜述。首先,介紹了通感一體化的基本概念和分類;其次,對通感一體化的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了分析;再次,綜述了當(dāng)前通感一體化波形設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀,進(jìn)一步從統(tǒng)一的性能度量和性能折中關(guān)系兩個角度對一體化波形進(jìn)行了探討;最后,分析了通感一體化系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)和未來研究趨勢。

1 通感一體化簡介

通感一體化的研究可以追溯到20世紀(jì)70年代美國國家航空航天局的航天飛機(jī)項(xiàng)目[12],其最近的發(fā)展則受2013年美國國防高級研究計(jì)劃關(guān)于雷達(dá)和通信共享頻譜項(xiàng)目的推動。傳統(tǒng)的雷達(dá)和通信系統(tǒng)是獨(dú)立發(fā)展的,由于它們在信號處理算法、設(shè)備、波形以及系統(tǒng)架構(gòu)方面有許多共同點(diǎn),激發(fā)了人們對兩個系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計(jì)的重大研究興趣[13-14]。本節(jié)首先簡介了傳統(tǒng)的通信/感知系統(tǒng),接著從以感知為中心、以通信為中心、通感一體化聯(lián)合設(shè)計(jì)[15-16]3個方面對其進(jìn)行分類與總結(jié)。通感一體化分類如圖1所示。

圖1 通感一體化分類Fig.1 Classification of integrating sensing and communication

1.1 傳統(tǒng)通信-感知系統(tǒng)

傳統(tǒng)的通信-感知系統(tǒng)中,通信和感知共存,即通信子系統(tǒng)與感知子系統(tǒng)是獨(dú)立設(shè)計(jì)的,如圖2所示。雷達(dá)和基站采用單獨(dú)分離的信號進(jìn)行目標(biāo)感知和通信,不可避免地會產(chǎn)生干擾。因此,關(guān)鍵難題是設(shè)計(jì)有效的干擾消除和管理技術(shù),例如波束成形[17]、協(xié)作頻譜共享[18]、機(jī)會式頻譜共享[19]、動態(tài)共存機(jī)制[20]等方法。然而,有效的干擾消除通常對節(jié)點(diǎn)的移動性和節(jié)點(diǎn)之間的信息交換有嚴(yán)格的要求。因此,這些方法在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)效率是有限度的。

圖2 傳統(tǒng)通信-感知共存系統(tǒng)Fig.2 Traditional communication-sensing coexistence systems

1.2 以感知為中心的通感一體化系統(tǒng)

以感知為中心的通感一體化系統(tǒng)是指在主感知系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通信功能(即感知為主,通信為輔),重點(diǎn)是研究如何在不顯著影響感知性能的情況下實(shí)現(xiàn)通信功能,系統(tǒng)感知能力是要保證的主要指標(biāo),以感知為中心的一體化系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。車聯(lián)網(wǎng)中路側(cè)單元服務(wù)M輛車,通過發(fā)送雙功能信號和接受回波信號獲得周圍環(huán)境數(shù)據(jù)(障礙物、車距等)和車輛數(shù)據(jù)(速度變化、剎車等),并將獲取的數(shù)據(jù)下行反饋給車輛,同時車輛之間也可以進(jìn)行信息交互以減少交通事故發(fā)生、實(shí)現(xiàn)實(shí)時交通管理。由于感知系統(tǒng)在很大程度上保持不變,因此,此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以得到近似最佳的感知性能,且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。然而,由于雷達(dá)波形的固有限制,系統(tǒng)可達(dá)的數(shù)據(jù)速率通常是有限的[21]。文獻(xiàn)[22]基于軟件定義雷達(dá)平臺實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合雷達(dá)和通信的系統(tǒng),其中雷達(dá)脈沖用于通信。文獻(xiàn)[23]的研究工作表明,軍事和航空領(lǐng)域使用的靜態(tài)和移動雷達(dá)中都可以建立通信網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[24]的工作證明,來自機(jī)載雷達(dá)安裝的無人駕駛車輛的自適應(yīng)發(fā)射信號也可用于同時感測場景,并將感測數(shù)據(jù)傳送到地面基站的接收器。綜上,以感知為中心的一體化系統(tǒng)具有感知能力強(qiáng)、決策智能化、服務(wù)質(zhì)量優(yōu)化等優(yōu)勢,但是,數(shù)據(jù)速率較低,且需要采集和處理大量的感知和通信數(shù)據(jù),因此,能耗和高復(fù)雜度亦是此系統(tǒng)較有挑戰(zhàn)性的問題。

1.3 以通信為中心的通感一體化系統(tǒng)

以通信為中心的通感一體化系統(tǒng)是指在主通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)感知功能(即通信為主,感知為輔),這類系統(tǒng)的高優(yōu)先級是通信,感知是對通信系統(tǒng)的補(bǔ)充,其目的是利用通信波形通過回波提取目標(biāo)的相關(guān)信息,典型系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。在高速移動場景中,節(jié)點(diǎn)A生成初始波束后,再通過下行或上行鏈路感知找到最佳波束對準(zhǔn)點(diǎn)以對初始波束進(jìn)行更新以減少鏈路阻塞,降低通信開銷。為了最大程度提高此系統(tǒng)的感知性能,需在主通信協(xié)議和信號保持不變的情況下,修改和增強(qiáng)通信基礎(chǔ)設(shè)施和系統(tǒng)[25]。考慮到通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以通信為中心的通感一體化系統(tǒng)又可以分為兩類:一類是在點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)感知,這類設(shè)計(jì)多應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)中,例如在文獻(xiàn)[26-27]中,作者詳細(xì)介紹了在車聯(lián)網(wǎng)場景中如何將感知功能集成到使用正交頻分復(fù)用信號的通信系統(tǒng)中;另一類是在大型網(wǎng)絡(luò)(如移動網(wǎng)絡(luò))中實(shí)現(xiàn)感知,文獻(xiàn)[28-29]系統(tǒng)地研究了如何在移動通信網(wǎng)絡(luò)中通過考慮其特定的信號、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)通感一體化,以及如何基于現(xiàn)代移動通信信號進(jìn)行感知。另外,從發(fā)射器和傳感接收器在空間上的分布方式來看,在傳感方面,這類系統(tǒng)類似于傳統(tǒng)的單基地、雙基地和多基地雷達(dá)[3]。綜上,以通信為中心的一體化系統(tǒng)能夠?qū)崟r感知和監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和用戶請求,并根據(jù)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行智能決策和自主調(diào)整相關(guān)參數(shù),因此,具有實(shí)時性強(qiáng)、智能化程度高、服務(wù)質(zhì)量優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)。但是,不同的通信協(xié)議之間可能存在兼容性問題,且系統(tǒng)的復(fù)雜性較高。

圖3 以感知為中心的一體化系統(tǒng)Fig.3 Sensing-based integrated sensing and communication systems

1.4 通感一體化融合系統(tǒng)

通感一體化融合系統(tǒng)與前兩類系統(tǒng)之間沒有明確的界限,但其在信號和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有更多的自由。具體來說,這類系統(tǒng)的開發(fā)不局限于現(xiàn)有的通信或雷達(dá)系統(tǒng),其典型系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示?？梢酝ㄟ^綜合考慮通信和感知的基本性能要求來設(shè)計(jì)和優(yōu)化此類系統(tǒng),以獲得更好的性能權(quán)衡、更高的硬件資源利用率和頻譜效率。MIMO技術(shù)和毫米波、太赫茲等高頻段應(yīng)用的發(fā)展促進(jìn)了通信和感知的聯(lián)合設(shè)計(jì)。一方面,毫米波所具有的大帶寬為高速率通信和高精度感知提供了巨大的潛力;另一方面,MIMO技術(shù)可以在通信帶寬不增加的前提下為感知提供大信號帶寬,很大程度上降低了硬件成本,并且能與通信系統(tǒng)的頻譜進(jìn)行很好匹配。文獻(xiàn)[30]分析了毫米波段的通感一體化在室內(nèi)和車聯(lián)網(wǎng)中的可行性和潛力。文獻(xiàn)[31-32]研究了用于無源雷達(dá)的組合多信道信號進(jìn)行傳感的工作。綜上,通感一體化融合系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)資源的有效調(diào)度和管理,提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬、傳輸速率和可靠性,增強(qiáng)系統(tǒng)的自適應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)智能化的網(wǎng)絡(luò)管理。

圖4 以通信為中心的一體化系統(tǒng)Fig.4 Communication-based integrated sensing and communication systems

圖5 通感一體化系統(tǒng)模型Fig.5 Integrated sensing and communication system models

2 通感一體化系統(tǒng)架構(gòu)

通感一體化是支持通信與感知功能、服務(wù)和應(yīng)用一體化的系統(tǒng),因此所設(shè)計(jì)的波形既要適用于通信,又要賦予其感知能力。本節(jié)將從統(tǒng)一表征和融合機(jī)理角度對通感一體化系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析。

考慮一個多通信用戶的通感一體化網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)模型如圖5所示。系統(tǒng)中存在1個具有N根天線陣列的雙功能MIMO基站,K個單天線通信用戶和1個單天線目標(biāo)(K

x=Ws

(1)

(1)式中:W={w1,w2…wK}∈N×K表示波束成形矩陣;s∈K×1表示通信符號。則第K個通信用戶接收到的信號為

y=Hx+nu

(2)

(2)式中:H={h1,h2…h(huán)K}∈N×K表示信道矩陣;表示通信接收機(jī)處的噪聲。接收到的回波信號表示為

ys=Gx+nt

(3)

3 通感一體化波形設(shè)計(jì)

通感一體化波形設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使用同一波形同時實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率傳輸和高精度感知。當(dāng)前通信系統(tǒng)大多采用連續(xù)波形體制,以正交頻分復(fù)用波形為代表;而感知系統(tǒng)以脈沖波體制和周期連續(xù)波體制居多,如線性調(diào)頻脈沖信號、WIFI定位系統(tǒng)中的正交頻分復(fù)用信號等[33]。為了適配6G系統(tǒng)的高頻譜效率、高可靠性、低延遲、低功耗等需求,采用連續(xù)波體制已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)通感一體化波形的主流趨勢。圖6所示為一體化波形的設(shè)計(jì)框圖。

3.1 以感知為中心的一體化波形設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

考慮到通信輔助感知服務(wù)是通感一體化的應(yīng)用場景之一,而雷達(dá)是感知的主要實(shí)現(xiàn)方式,因此本文主要分析雷達(dá)感知。感知系統(tǒng)中通信的實(shí)現(xiàn)一般是將脈沖雷達(dá)信號或連續(xù)波雷達(dá)信號作為載波去調(diào)制通信信號,在盡可能保證感知性能的前提下實(shí)現(xiàn)通信功能。以感知為中心的一體化波形設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。針對以感知為中心的一體化波形設(shè)計(jì)問題,文獻(xiàn)[34]提出了一種將用于感知的線性調(diào)頻(linear frequency modulation,LFM)脈沖作為載波調(diào)制最小頻移鍵控(minimum-shift keying,MSK)通信信號的雙功能波形產(chǎn)生方法。仿真結(jié)果表明,隨著比特?cái)?shù)的增加,模糊函數(shù)的形狀越來越接近“圖釘狀”,且調(diào)制引起的頻譜擴(kuò)展較小,會帶來頻帶間干擾、功率泄露等問題。為了解決此問題,文獻(xiàn)[35]介紹了一種基于部分模塊的LFM序列波形,即只在載波的某一段上對通信信號進(jìn)行調(diào)制。文獻(xiàn)[36]提出在忽略Chirp信號相關(guān)值的情況下,設(shè)置奇數(shù)路的調(diào)頻率為負(fù),偶數(shù)路的調(diào)頻率為正,其中,奇數(shù)路是雷達(dá)的子載波,偶數(shù)路是載波,仿真結(jié)果表明此方法顯著減小了帶間干擾,但是通信數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)復(fù)雜。文獻(xiàn)[37]將幅值鍵控(amplitude shift keying,ASK)信號調(diào)制到LFM脈沖上,這種調(diào)制方法對信噪比要求較高,且破壞了LFM脈沖的恒包絡(luò)特性。為了解決恒包絡(luò)破壞問題,文獻(xiàn)[38]提出了一種對LFM的相位進(jìn)行相移鍵控(binary phase shift keying,BPSK)調(diào)制的方法。文獻(xiàn)[39]進(jìn)一步提出將用于通信的正交相移鍵控(quadrature phase shift keying,QPSK)技術(shù)來調(diào)制LFM相位的方法,可以獲得包絡(luò)較為恒定的雙功能波形。

圖6 一體化波形設(shè)計(jì)框圖Fig.6 Diagram of integrated waveform design

表1 以感知為中心的一體化波形設(shè)計(jì)總結(jié)Tab.1 Summary of integrated waveform design in sensing-based systems

上述一體化波形的設(shè)計(jì)均采用了低階調(diào)制方法,導(dǎo)致通信速率不高。為了提高通信速率,文獻(xiàn)[40]提出將多進(jìn)制正交幅度調(diào)制(quadrature amplitude modulation,QAM)作為調(diào)制信號,LFM信號作為載波,以此獲得MQAM-LFM一體化波形的方法,并通過仿真驗(yàn)證了此波形具有與64QAM一樣的誤碼率,通信速率高于BPSK-LFM、QPSK-LFM等低階調(diào)制的一體化波形,且其模糊函數(shù)接近“圖釘狀”,具有較為理想的速度分辨率。

相比于文獻(xiàn)[34-40]中討論的單載波方法,多載波方法能在通信和感知性能之間取得更好的權(quán)衡,更加適用于醫(yī)療監(jiān)測、低空監(jiān)測[41]等對頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的場景。文獻(xiàn)[42]使用隨機(jī)步進(jìn)頻率(stepped frequency,SF)信號來設(shè)計(jì)一體化波形,仿真結(jié)果證明此方法可以同時獲得高分辨率雷達(dá)成像性能和高數(shù)據(jù)傳輸速率。分?jǐn)?shù)傅里葉變換(fractional Fourier transform,FrFT)是另一類多載波波形設(shè)計(jì)方法,文獻(xiàn)[43]提出了一種通過FrFT產(chǎn)生一組準(zhǔn)正交Chirp信號,并將其作為載波調(diào)制通信信號的方法,在一定程度上提高了數(shù)據(jù)速率,但其數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度較高,應(yīng)用場景有限。

3.2 以通信為中心的一體化波形設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

感知增強(qiáng)通信是通感一體化的另一個重要場景。其波形設(shè)計(jì)方面的研究主要是從基于正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)、基于擴(kuò)頻序列、基于正交時頻空(orthogonal time frequency space,OTFS)等方面展開的。其優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 以通信為中心的一體化波形設(shè)計(jì)總結(jié)Tab.2 Summary of integrated waveform design in communication-based systems

OFDM波形憑借其較低計(jì)算復(fù)雜度和較高頻譜利用率成為一體化波形設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)。在文獻(xiàn)[44]中,雷達(dá)脈沖由一系列OFDM符號組成,這些脈沖進(jìn)一步可以作為通信的一幀或多幀,并對目標(biāo)回波信息進(jìn)行解相干和補(bǔ)償處理,以同時實(shí)現(xiàn)通信和感知功能。文獻(xiàn)[45]提出了一種基于FrFT的聯(lián)合雷達(dá)通信系統(tǒng)波形設(shè)計(jì)方法,將要發(fā)送的通信數(shù)據(jù)嵌入到具有不同時頻速率的線性調(diào)頻子載波中,通過仿真證明,與具有相同持續(xù)時間和帶寬的LFM脈沖相比,此波形具有良好的雷達(dá)特性,且數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)3.660 Mbit/s,與最先進(jìn)的中程雷達(dá)通信系統(tǒng)相比速率有較大提升。但是,上述一體化波形的峰值平均功率比較高,導(dǎo)致系統(tǒng)總體效率和性能降低,且通信信號容易失真。為了解決此問題,文獻(xiàn)[46-47]通過最小化代價函數(shù)(包絡(luò)變化系數(shù))降低峰值平均功率比,并通過應(yīng)用最小二乘算法保證成本函數(shù)單調(diào)減小。

為了獲得較好的傳輸性能、盡可能增大雷達(dá)感知的模糊度,文獻(xiàn)[48]提出將OFDM一體化波形與MIMO技術(shù)相結(jié)合,把通信符號通過旁瓣控制和波形分集技術(shù)嵌入到雷達(dá)波形中,由于每個波形中只允許嵌入一個比特,因此通信速率不高,且只適用于測距場景。文獻(xiàn)[49]提出了一種基于OFDM的魯棒一體化波形設(shè)計(jì)方法,對于所有類型的信道不確定性,該方法得到觀測信號和隨機(jī)目標(biāo)響應(yīng)脈沖之間的通信數(shù)據(jù)速率和條件互信息的加權(quán)和波形,并通過仿真證明了此魯棒波形在最壞情況下具有可接受的通信和感知性能,且其整體性能較非魯棒波形有較大提升。

OFDM雖然是設(shè)計(jì)一體化波形的一種很有前途的選擇,但其不適用于對時延、吞吐量、數(shù)據(jù)速率等有較高要求的高速移動場景。文獻(xiàn)[50]提出正交時頻空間(orthogonal time frequency space,OTFS)調(diào)制,通過時頻域上完全分集的設(shè)計(jì),將調(diào)制信號所經(jīng)歷的衰落時變的信道轉(zhuǎn)換成與時間無關(guān)的信道,仿真結(jié)果表明,這種信道分集的設(shè)計(jì)方法可以極大提高大天線陣列系統(tǒng)的性能。進(jìn)一步,文獻(xiàn)[51]提出了一種從后向散射信號中估計(jì)目標(biāo)的距離和速度的最大似然算法,并推導(dǎo)出了相應(yīng)的克拉美羅界(Cramér-Rao bound,CRB)下限,通過仿真證明了提出的基于OTFS的一體化波形具有和專用雷達(dá)波形相同的感知精度,且數(shù)字調(diào)制符號可用于全速率傳輸信息,通信和感知性能均不會受到損失,其缺點(diǎn)是算法復(fù)雜度較高。為克服這一缺點(diǎn),文獻(xiàn)[52]提出了一種基于稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)的低復(fù)雜度目標(biāo)參數(shù)估計(jì)算法。

采用機(jī)會主義融合設(shè)計(jì)方法(以感知為中心的一體化波形、以通信為中心的一體化波形)時,不可避免地面臨一個挑戰(zhàn),即在優(yōu)化某一功能時,會導(dǎo)致另一功能受到限制。具體來講,當(dāng)以通信信號為中心設(shè)計(jì)波形時,傳輸信號的隨機(jī)特性可能會降低信號的自相關(guān)和互相關(guān)特性,影響感知的動態(tài)范圍和分辨率,或過多地將感知范圍約束在通信方向上;當(dāng)以感知信號為主導(dǎo)設(shè)計(jì)波形時,由于雷達(dá)波形和脈沖重復(fù)頻率的限制,通信速度可能大幅度降低,難以滿足車聯(lián)網(wǎng)等大帶寬和低時延的應(yīng)用需求。因此,聯(lián)合機(jī)會主義融合(通信感知融合)設(shè)計(jì)是一個很有前景的策略。

3.3 通信感知融合的一體化波形設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

3.3.1 一體化波形融合設(shè)計(jì)方法

通信感知融合的一體化波形是指在不依賴現(xiàn)有通信和感知波形的情況下自底向上統(tǒng)一設(shè)計(jì)的一體化波,不僅可以在高速率通信的同時完成精準(zhǔn)感知,且可以提供額外的自由度和靈活性。近年來,大量通過聯(lián)合優(yōu)化通信和感知性能的通感融合的一體化波形設(shè)計(jì)的工作出現(xiàn)在人們的視野中。

文獻(xiàn)[53]利用預(yù)編碼技術(shù)設(shè)計(jì)了一體化MIMO波形,在保證下行鏈路中每個用戶的信干噪比(signal to interference plus noise ratio,SINR)的情況下最小化目標(biāo)估計(jì)的CRB,提出連續(xù)凸近似算法以解決建立的非凸優(yōu)化問題。在文獻(xiàn)[53]的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[54]依據(jù)感知目標(biāo)與發(fā)射機(jī)距離的大小,將感知目標(biāo)分為點(diǎn)目標(biāo)和擴(kuò)展目標(biāo)兩類,對于單通信用戶場景,推導(dǎo)了兩種目標(biāo)類型下問題的閉式解,對于多通信用戶場景,利用半定松弛方法求出了問題的最優(yōu)解,并證明了問題的解是可以獲得的。能量效率也是一體化波形設(shè)計(jì)中需要考慮的一個重要指標(biāo),文獻(xiàn)[55]將通信用戶的能量效率作為目標(biāo)函數(shù),將單個雷達(dá)波束方向增益作為約束條件設(shè)計(jì)一體化波形,針對此非凸分?jǐn)?shù)規(guī)劃問題,作者提出了半定松弛和連續(xù)凸近似算法以獲得問題的解,并證明了引入的半定松弛是緊的。為了在通感之間取得更好的權(quán)衡和更高的系統(tǒng)性能增益,文獻(xiàn)[56]在非正交多址通感一體化系統(tǒng)中,以每個下行鏈路通信用戶的SINR為約束條件,建立了最大化感知信干燥比的優(yōu)化問題,并通過半定松弛方法求得了波束成形矩陣。

上述工作均基于完美的信道狀態(tài)信息,然而,在實(shí)際系統(tǒng)中,由于系統(tǒng)估計(jì)誤差,時延等因素的影響,完美的信道狀態(tài)信息是很難獲得的[57],且實(shí)際系統(tǒng)中可能存在潛在的竊聽者,因此,物理層安全也是一體化波形設(shè)計(jì)中需要考慮的一個重要問題。在有界信道誤差存在的情況下,文獻(xiàn)[58]認(rèn)為發(fā)送給通信用戶的合法信息會被感知目標(biāo)竊聽,為了確保信息傳輸?shù)谋Ｃ苄?作者在發(fā)射機(jī)處加入了人工噪聲,并在保證合法用戶SINR的情況下最小化感知目標(biāo)處接收的信噪比,使用半定松弛方法得到了具有魯棒性的安全波束矢量?；谖墨I(xiàn)[58],文獻(xiàn)[59]考慮了一體化波形服務(wù)多個通信用戶和多個感知目標(biāo)同時存在多個竊聽者的場景,同樣引入人工噪聲以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄?在保密性能和功率預(yù)算約束下最小化設(shè)計(jì)波束圖和期望波束圖之間的均方差,并利用伯恩斯坦不等式和半定松弛技術(shù)將非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成可處理的凸形式,通過仿真證明了所提的魯棒波束成形算法能夠接近完美信道狀態(tài)信息下的系統(tǒng)性能。進(jìn)一步,文獻(xiàn)[60]考慮了高斯和有界兩種信道狀態(tài)信息誤差,在安全通信約束下,最小化感知的波束圖匹配誤差和互相關(guān)模式的加權(quán)和。當(dāng)信道狀態(tài)信息誤差有界時,采用最壞情況保密率約束確保安全通信,并利用S過程、半定松弛技術(shù)和一維搜索技術(shù)給出問題的最優(yōu)解;當(dāng)信道狀態(tài)信息誤差服從高斯分布時,采用保密中斷概率確保安全通信,并利用伯恩斯坦不等式和半定松弛技術(shù)獲得問題的最優(yōu)解。

3.3.2 一體化波形性能研究

軟硬件資源的有限性導(dǎo)致了一體化系統(tǒng)中通信和感知性能之間的相互制約關(guān)系,且現(xiàn)有的信息論只能從單一的維度指導(dǎo)通信或者感知性能的優(yōu)化。因此,構(gòu)建新型的性能指標(biāo)是通感性能聯(lián)合優(yōu)化和性能折中的關(guān)鍵。本節(jié)將從一體化波形統(tǒng)一的性能度量和性能折中關(guān)系兩個角度展開討論。

1)一體化波形統(tǒng)一的性能度量。在通感一體化系統(tǒng)中,通信性能指標(biāo)往往基于香農(nóng)容量,而感知指標(biāo)大多數(shù)為方均誤差。為了打通通信理論和感知理論的邊界,更好地揭示兩者性能之間的耦合關(guān)系,新型指標(biāo)“界”“率”“比”應(yīng)運(yùn)而生,具體說明如下。

?“界”指標(biāo)。由于均方誤差易受感知場景的影響,且與其相關(guān)的優(yōu)化問題求解復(fù)雜度高,因此,考慮其性能界限以滿足感知場景的多樣性,目前應(yīng)用最廣泛的界限指標(biāo)是CRB,即目標(biāo)估計(jì)方均誤差的下界,除此之外,Ziv-Zaka界等也頻繁出現(xiàn)。

?“率”指標(biāo)。為了在相同的物理含義下對通感的性能進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化和折中,已有研究通過類比通信互信息,定義了面向通感一體化的新型感知指標(biāo):感知互信息,其物理意義是信道狀態(tài)與接收信號的條件互信息。

?“比”指標(biāo)。通過類比通信中的信噪比定義“感知比”指標(biāo),例如文獻(xiàn)[61]面向感知中的雜波效應(yīng),構(gòu)建了雜波噪聲比作為感知性能指標(biāo)。

2)一體化波形性能折中關(guān)系。對于通感一體化系統(tǒng)中通信和感知之間的性能折中,根據(jù)無線資源的復(fù)用方式,折中理論可以分為時分、頻分和空分3類。

?時分。時分體制的折中關(guān)系可以分為基于IEEE 802.11ad等現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和不基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)2類。文獻(xiàn)[62]中基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)的毫米波汽車?yán)走_(dá),可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率與感知CRB之間的性能折中,仿真結(jié)果表明,當(dāng)導(dǎo)碼時間較長時,可實(shí)現(xiàn)Gbps量級的通信和高精度感知。

?頻分。相較于時分體制,頻分下的通感一體化適用性較為有限,大多數(shù)采用正交頻分多址波形,通感性能之間的折中關(guān)系按照優(yōu)化問題分為通信約束感知優(yōu)化、通信感知聯(lián)合優(yōu)化、感知約束通信優(yōu)化。例如文獻(xiàn)[21]將通信速率與感知估計(jì)速率的加權(quán)和作為一體化系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,并給出了不同頻分體制和權(quán)重系數(shù)下和速率的最優(yōu)情況。

?空分?？辗煮w制隨著MIMO的發(fā)展成為通感一體化研究的熱點(diǎn)方向之一,其性能研究可分為干擾性能分析、旁瓣控制策略、預(yù)編碼波形優(yōu)化。例如文獻(xiàn)[61]在多用戶雷達(dá)雜波效應(yīng)場景下,推導(dǎo)了雷達(dá)載噪比與通信用戶SINR之間的折中關(guān)系,仿真結(jié)果表明,雷達(dá)雜波效應(yīng)可以通過增加天線數(shù)量而消除。

4 挑戰(zhàn)和未來研究趨勢

綜上所述,通信感知一體化作為6G的突出技術(shù)方向,憑借其自身頻帶利用率高、尺寸小、兼具高智能化和高共享度等優(yōu)勢,得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展,但依然存在較多具有挑戰(zhàn)性的問題。一體化波形設(shè)計(jì)方面存在的挑戰(zhàn)和未來研究趨勢如圖7所示。

圖7 通感一體化系統(tǒng)波形設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)和未來研究趨勢Fig.7 Challenges and future research trends of waveform design in integrated sensing and communication systems

4.1 靈活且可重構(gòu)的通信感知一體化波形

由于通感一體化技術(shù)的應(yīng)用場景是多樣的,因此一體化波形必須具有靈活性和可重構(gòu)性。OFDM作為通信系統(tǒng)的主流調(diào)制技術(shù),如何讓其與現(xiàn)有通信系統(tǒng)更加兼容是一體化波形設(shè)計(jì)需要考慮的一個重要問題。另外,針對高動態(tài)的移動場景,可以使用OTFS新型調(diào)制技術(shù),相關(guān)的研究可以參考文獻(xiàn)[63]。

4.2 太赫茲一體化波形

太赫茲頻段(0.1～10 THz)不僅可以提供海量業(yè)務(wù)所需的超大帶寬,且具有波長小、集成尺寸小、時延超低、數(shù)據(jù)傳輸速率超高等優(yōu)勢,是通感一體化系統(tǒng)最有應(yīng)用潛力的頻段之一,其與超大規(guī)模MIMO天線結(jié)合正在成為下一個研究熱點(diǎn)。太赫茲一體化波形在提供極高的數(shù)據(jù)速率和頻譜利用率的同時,超窄的波束成形也給波束對準(zhǔn)帶來了極大的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

第六代移動通信系統(tǒng)將通信和感知深度融合使得二者互惠增強(qiáng),從而實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、更高的感知精度,賦能五彩繽紛的新業(yè)務(wù)等目標(biāo)。一體化波形設(shè)計(jì)作為通感一體化技術(shù)的一個重要方面,已經(jīng)成為全球研究的焦點(diǎn)。本文從波形設(shè)計(jì)的角度對通感一體化系統(tǒng)進(jìn)行了綜述,詳細(xì)分析、比較了目前大多數(shù)最先進(jìn)的波形設(shè)計(jì)方法。具體來說,本文首先簡要對比介紹了3類通感一體化系統(tǒng);然后綜述了以感知為中心的一體化波形設(shè)計(jì)、以通信為中心的一體化波形設(shè)計(jì)、通信感知融合的一體化波形設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法;最后分析了通感一體化波形設(shè)計(jì)的潛在挑戰(zhàn)和未來研究趨勢。此綜述旨在使讀者快速全面地了解通感一體化及其波形設(shè)計(jì)的當(dāng)前狀況,從而吸引更多的研究人員進(jìn)入這一領(lǐng)域。