ＲＩＳ 輔助的ＩＳＡＣ 系統(tǒng)抗多徑衰落及路徑損耗方法研究

摘 要：車聯(lián)網(wǎng)作為未來智慧交通系統(tǒng)中的重要組成部分，對通信和感知的要求也越來越高。通信感知一體化（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＩＳＡＣ）作為車聯(lián)網(wǎng)方向極具潛力的一項技術(shù)，因可以解決通信場景下的位置感知問題而引起業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。由于城市場景中電磁環(huán)境更加隨機(jī)和不可控，使得當(dāng)前傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)無法滿足車－路側(cè)單元（Ｖｅｈｉｃｌｅ-ｔｏ-Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｖ２Ｉ）系統(tǒng)中的通信與感知需求。對此，考慮在傳統(tǒng)的Ｖ２Ｉ 系統(tǒng)加入智能反射面（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ，ＲＩＳ），將其與ＩＳＡＣ 技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建多徑場景下新的被動感知模型。深入分析了在新的被動感知模型下，ＲＩＳ 輔助ＩＳＡＣ 通信系統(tǒng)的抗多徑性能優(yōu)化。提出一種大尺寸ＲＩＳ 單元優(yōu)化分組方法，使部分單元參與信號的反射，并將單元優(yōu)化分組后的大尺寸ＲＩＳ 與相同單元數(shù)的小尺寸ＲＩＳ 進(jìn)行系統(tǒng)性能對比。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計大尺寸ＲＩＳ 實現(xiàn)了高于小尺寸ＲＩＳ 大約１． ５ ｂｉｔ ／ ｓ 的信號傳輸效率，在提升系統(tǒng)信號傳輸性能的同時有效地減少了信道的估計開銷。

關(guān)鍵詞：通信感知一體化；智能反射面；多徑；路徑損耗

中圖分類號：ＴＮ９２９． ５２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０５－０９５８－０９

０ 引言

通信感知一體化（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＩＳＡＣ）［１］技術(shù)可以在通信的同時，實現(xiàn)高精度的被動位置感知［２－３］，這項技術(shù)在６Ｇ 和未來自動駕駛等領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力，因此引起越來越多的關(guān)注。ＩＳＡＣ 系統(tǒng)的工作原理類似于聯(lián)合通信和雷達(dá)感知（Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｄａｒ Ｓｅｎｓｉｎｇ，ＪＣＲ）系統(tǒng)［４］，可以同時實現(xiàn)目標(biāo)的感知和無線通信兩種功能［５］。然而，與ＪＣＲ 系統(tǒng)相比，ＩＳＡＣ 系統(tǒng)具備更多的功能、更簡單的系統(tǒng)架構(gòu)、更低的時延以及更好的靈活性和擴(kuò)展性等優(yōu)勢。目前ＩＳＡＣ 主要有兩種感知方式：一種是主動感知，即使用專用的雷達(dá)信號感測車輛位置信息［６］；另一種是被動感知，即通過無設(shè)備感測實現(xiàn)對目標(biāo)參數(shù)的估計。然而，面對城市道路場景環(huán)境下無線傳播環(huán)境的高隨機(jī)性和高不可控性，簡單的ＩＳＡＣ 系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足當(dāng)下汽車智能駕駛對通信質(zhì)量以及感知靈敏度的需求。為了在城市場景中實現(xiàn)更高效、更高質(zhì)量的感知和無線通信，本文考慮在使用ＩＳＡＣ 系統(tǒng)的智能交通基礎(chǔ)上，引入智能反射面（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ，ＲＩＳ）。

ＲＩＳ 是由大量無源反射單元構(gòu)成的平面陣列，其表面的反射單元可以通過軟件程序控制，從而反射具有可調(diào)相移和增益的信號［７］，實現(xiàn)信道通道的性能優(yōu)化。目前已經(jīng)有大量文獻(xiàn)研究各種ＲＩＳ 輔助網(wǎng)絡(luò)中的科學(xué)問題，包括信道建模［８］、信道估計［９］、物理層安全［１０］、傳感［１１－１２］、定位［１３］和全息多輸入多輸出［１４－１５］。文獻(xiàn)［１６］分析了ＲＩＳ 的信息傳輸能力，然后對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，確認(rèn)歸一化容量與每平方米的平均傳輸能量成線性比例關(guān)系。但是目前大多數(shù)關(guān)于ＲＩＳ 的理論工作都建立在假設(shè)發(fā)射機(jī)到ＲＩＳ 和ＲＩＳ 到接收機(jī)之間的信道可以獲得完美信道狀態(tài)信息。然而，在無設(shè)備的被動感知情況下，ＲＩＳ 的相關(guān)信道會受到大量多徑信號的影響，并且ＲＩＳ 的表面是由無源反射單元組成的，這也使得信道估計變得具有挑戰(zhàn)性。文獻(xiàn)［１７］提出了可以用于ＲＩＳ 信道估計的兩種方法：第一種方法是使用壓縮感知，從所進(jìn)行的稀疏測量構(gòu)建完整的信道狀態(tài)信息；第二種方法則利用有源元件測量的信道數(shù)據(jù)，訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型來與入射信號交互。這些研究為這一新興技術(shù)提供了越來越全面的介紹。然而，要使ＲＩＳ 不僅成為一項革命性的技術(shù)，而且在商業(yè)上取得成功，還有各種實際問題需要研究。盡管有大量關(guān)于ＲＩＳ 研究主題的文獻(xiàn)，但很少有研究關(guān)注ＲＩＳ 輔助無線通信系統(tǒng)的工程方面，這些研究還必須考慮與部署成本和兼容性相關(guān)的實際限制。

在ＩＳＡＣ 系統(tǒng)中布置ＲＩＳ，可以實現(xiàn)城市場景下傳播環(huán)境的可重構(gòu)化［１８－１９］，極大地改善現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸質(zhì)量。例如，在調(diào)整ＲＩＳ 相移后，對反射信號進(jìn)行建設(shè)性地疊加，來增加用戶處的接收信號功率。同樣，也可以通過控制ＲＩＳ 相移來減少干擾。該舉措在文獻(xiàn)［２０］中被進(jìn)一步擴(kuò)展，以考慮ＲＩＳ 處的離散相移，并通過聯(lián)合優(yōu)化無線接入點(diǎn)處的波束成形和ＲＩＳ 處的離散相移，來最小化接入點(diǎn)處所需的發(fā)射功率。隨著有關(guān)ＲＩＳ 的聯(lián)合技術(shù)的發(fā)展，通過接收ＲＩＳ 反射的通信信號來感測車輛的方法也在不斷地被開發(fā)中。文獻(xiàn)［７］將ＩＳＡＣ 與正交頻分復(fù)用的方法進(jìn)行聯(lián)合使用，應(yīng)用于移動目標(biāo)的無設(shè)備感測方法，可以極大地優(yōu)化系統(tǒng)的感知能力。

當(dāng)前所熟知的車載通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始考慮滿足各種車輛應(yīng)用的需求，包括面向信息傳輸?shù)陌踩?、實時性以及車載應(yīng)用的娛樂性、穩(wěn)定性等。這些應(yīng)用需求給現(xiàn)有的通信感知網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。例如激光成像檢測和測距的數(shù)據(jù)密集型傳感器的引入導(dǎo)致車輛通信網(wǎng)絡(luò)必須支持Ｇｂｉｔ／ ｓ 以上的數(shù)據(jù)傳輸速率［２１］。毫米波滿足了這種極高數(shù)據(jù)速率所需要的系統(tǒng)帶寬，但是在車輛通信中利用擁有大帶寬的毫米波會面臨更高的路徑損耗，從而縮小了傳輸范圍。在文獻(xiàn)［２２］中已經(jīng)提出了在實驗場景中部署多個ＲＩＳ 以輔助毫米波通信來克服這些挑戰(zhàn)。已有文獻(xiàn)簡要地考慮了使用ＲＩＳ 來輔助車輛網(wǎng)絡(luò)。例如在文獻(xiàn)［２３］中考慮了啟用ＲＩＳ 的車輛網(wǎng)絡(luò)，以提高物理層安全性；在文獻(xiàn)［２４］中探討了ＲＩＳ 輔助車輛網(wǎng)絡(luò)中的中斷分析。但是目前大多數(shù)的ＲＩＳ 輔助車輛網(wǎng)絡(luò)的模型架構(gòu)都是基于車輛與基站之間的主動信息交互，從而定位其他車輛。相比于主動感知，在系統(tǒng)中使用毫米波結(jié)合被動感知可以有效利用其他車輛或設(shè)備的感知信息，減少對本車傳感器的依賴，提高感知效率。此外，通過無線通信獲取到本車傳感器無法覆蓋的區(qū)域的信息，也擴(kuò)大了感知范圍。

本文首先針對車－路側(cè)單元（ＶｅｈｉｃｌｅｔｏＩｎｆｒａ-ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｖ２Ｉ）場景下ＲＩＳ 輔助ＩＳＡＣ 系統(tǒng)的多徑問題進(jìn)行建模。路側(cè)單元通過被動感知的方式接收ＲＩＳ 反射的通信信號，實時感測車輛的位置。對ＲＩＳ處接收到的信號以及經(jīng)過ＲＩＳ 反射的信號進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究發(fā)現(xiàn)，在被動感知方式下，ＲＩＳ 受到大量多徑信號的影響。已有實驗表明，除了固有的路徑損耗外，多徑信號干擾也會影響到路側(cè)單元接收端信號功率。因此，本文將重點(diǎn)研究系統(tǒng)中的路徑損耗和多徑信號引起的衰落問題，其中主要對目標(biāo)車輛到ＲＩＳ 和ＲＩＳ 到路側(cè)單元這兩個信道進(jìn)行具體的分析，最終得到路側(cè)單元處接收到的信號。在實驗中發(fā)現(xiàn)不管是對于路徑損耗還是多徑衰落，ＲＩＳ 的單元分布和單元數(shù)量都是主要的影響因素，對此將通過仿真實驗進(jìn)行具體的分析。本文的主要貢獻(xiàn)如下：

① 提出了一種基于ＩＳＡＣ-ＲＩＳ 的無源車輛被動傳感系統(tǒng)，將該系統(tǒng)用于Ｖ２Ｉ 場景，使汽車與路側(cè)單元之間可以做到信息的高速傳輸處理，減少對本車傳感器的依賴，對該系統(tǒng)中經(jīng)過多徑干擾以及路徑損耗后的信號進(jìn)行了描述。

② 通過模擬算法計算經(jīng)過ＲＩＳ 優(yōu)化相位和無ＲＩＳ 配置（隨機(jī)相位）下的信噪比來對系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估，并對相關(guān)重要參數(shù)進(jìn)行介紹與計算。

③ 通過實驗圖像深入分析了在新的Ｖ２Ｉ 被動感知多徑場景下，ＲＩＳ 對ＩＳＡＣ 毫米波系統(tǒng)的通信性能優(yōu)化。實驗結(jié)果表明ＲＩＳ 的加入可以極大限度地提高系統(tǒng)信號的傳輸速率和抗多徑衰落能力，并且在實驗中創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)，可以通過對擁有較大面積、較多單元的ＲＩＳ 進(jìn)行單元的優(yōu)化分組，使其只有部分單元參與信號的反射，并將其與相同單元數(shù)的小型ＲＩＳ 做對比，最終發(fā)現(xiàn)其擁有高于小型ＲＩＳ 性能的同時有效減少了系統(tǒng)中的信道估計開銷。