徐勇军,曹 娜,陈前斌

(1. 重庆邮电大学 通信与信息工程学院,重庆 400065;2. 移动通信技术重庆市重点实验室,重庆 400065)

0 引 言

以5G和工业互联网等为代表的新一代信息网络设施已成为推动中国数字经济高速发展的重要驱动力。国务院发布的《“十四五”数字经济发展规划》指出,“加快信息网络建设,前瞻布局第六代移动通信(6G)技术,将有力促进经济繁荣发展,增强国家竞争力”。同时,美国、欧盟和日本等国纷纷加紧了6G技术研发布局,希望抢占6G通信核心技术制高点,可见6G已成为大国科技竞争焦点,也是中国重大战略需求。

中国6G技术研发推进工作组在2021年发布了《6G总体愿景与潜在关键技术》白皮书[1],其中指出,“6G将面向以智慧城市、智慧交通、智慧医疗等为代表的新型垂直应用场景,支持数字孪生、多感官数字沉浸式扩展现实、全息通信等多样化全新应用和服务”。为实现上述愿景,未来的6G网络将从单一通信进化为一个包含无线通信、感知、计算和人工智能的多功能综合性平台,除了具备传统的无线通信能力外,亦具备对周围环境的多维度感知能力以获取物理空间信息。因此,将通信与感知融合共生实现通感一体化已成为主流趋势与研究热点。

随着通信和感知设备的激增,巨大的业务需求与有限频谱资源的矛盾日益突出,MIMO天线的出现极大丰富了空间资源的使用,为通信感知融合提供了新的可能[2];通信系统与感知系统在硬件实现层面越来越相近,这为通信和感知提供了进一步融合的可能;基站的频率向着毫米波、太赫兹等高频段发展,而高频段能够获得更为精准的感知信息,这无疑为通信感知一体化提供了巨大可能。通感一体化作为链接生物物理世界与数字世界高效互通的技术,是智慧交通、智慧医疗、智慧城市等场景的关键技术之一。目前,该领域的研究主要包括通感一体化的概念和特点[2-3]、收发器架构[4-5]、面向环境感知的资源分配[6-7]、时空频域信号处理[8-9]、实验性能演示与测试[10-11]等。然而,通感一体化的许多重要问题仍未得到有效解决,如系统极限性能分析、最优通感一体化空间分布方案和信号处理算法等。特别是如何设计出一种能够同时满足高速率传输和高精度感知的一体化波形,是亟须进一步解决的关键科学问题。

为此,本文对通感一体化波形设计方法进行综述。首先,介绍了通感一体化的基本概念和分类;其次,对通感一体化的系统架构进行了分析;再次,综述了当前通感一体化波形设计的研究现状,进一步从统一的性能度量和性能折中关系两个角度对一体化波形进行了探讨;最后,分析了通感一体化系统所面临的挑战和未来研究趋势。

1 通感一体化简介

通感一体化的研究可以追溯到20世纪70年代美国国家航空航天局的航天飞机项目[12],其最近的发展则受2013年美国国防高级研究计划关于雷达和通信共享频谱项目的推动。传统的雷达和通信系统是独立发展的,由于它们在信号处理算法、设备、波形以及系统架构方面有许多共同点,激发了人们对两个系统联合设计的重大研究兴趣[13-14]。本节首先简介了传统的通信/感知系统,接着从以感知为中心、以通信为中心、通感一体化联合设计[15-16]3个方面对其进行分类与总结。通感一体化分类如图1所示。

图1 通感一体化分类Fig.1 Classification of integrating sensing and communication

1.1 传统通信-感知系统

传统的通信-感知系统中,通信和感知共存,即通信子系统与感知子系统是独立设计的,如图2所示。雷达和基站采用单独分离的信号进行目标感知和通信,不可避免地会产生干扰。因此,关键难题是设计有效的干扰消除和管理技术,例如波束成形[17]、协作频谱共享[18]、机会式频谱共享[19]、动态共存机制[20]等方法。然而,有效的干扰消除通常对节点的移动性和节点之间的信息交换有严格的要求。因此,这些方法在实际应用中的系统效率是有限度的。

图2 传统通信-感知共存系统Fig.2 Traditional communication-sensing coexistence systems

1.2 以感知为中心的通感一体化系统

以感知为中心的通感一体化系统是指在主感知系统中实现通信功能(即感知为主,通信为辅),重点是研究如何在不显著影响感知性能的情况下实现通信功能,系统感知能力是要保证的主要指标,以感知为中心的一体化系统架构如图3所示。车联网中路侧单元服务M辆车,通过发送双功能信号和接受回波信号获得周围环境数据(障碍物、车距等)和车辆数据(速度变化、刹车等),并将获取的数据下行反馈给车辆,同时车辆之间也可以进行信息交互以减少交通事故发生、实现实时交通管理。由于感知系统在很大程度上保持不变,因此,此系统的优点是可以得到近似最佳的感知性能,且可以实现远程通信。然而,由于雷达波形的固有限制,系统可达的数据速率通常是有限的[21]。文献[22]基于软件定义雷达平台实现了联合雷达和通信的系统,其中雷达脉冲用于通信。文献[23]的研究工作表明,军事和航空领域使用的静态和移动雷达中都可以建立通信网络。文献[24]的工作证明,来自机载雷达安装的无人驾驶车辆的自适应发射信号也可用于同时感测场景,并将感测数据传送到地面基站的接收器。综上,以感知为中心的一体化系统具有感知能力强、决策智能化、服务质量优化等优势,但是,数据速率较低,且需要采集和处理大量的感知和通信数据,因此,能耗和高复杂度亦是此系统较有挑战性的问题。

1.3 以通信为中心的通感一体化系统

以通信为中心的通感一体化系统是指在主通信系统中实现感知功能(即通信为主,感知为辅),这类系统的高优先级是通信,感知是对通信系统的补充,其目的是利用通信波形通过回波提取目标的相关信息,典型系统架构如图4所示。在高速移动场景中,节点A生成初始波束后,再通过下行或上行链路感知找到最佳波束对准点以对初始波束进行更新以减少链路阻塞,降低通信开销。为了最大程度提高此系统的感知性能,需在主通信协议和信号保持不变的情况下,修改和增强通信基础设施和系统[25]。考虑到通信网络的拓扑结构,以通信为中心的通感一体化系统又可以分为两类:一类是在点对点通信系统中实现感知,这类设计多应用于车联网中,例如在文献[26-27]中,作者详细介绍了在车联网场景中如何将感知功能集成到使用正交频分复用信号的通信系统中;另一类是在大型网络(如移动网络)中实现感知,文献[28-29]系统地研究了如何在移动通信网络中通过考虑其特定的信号、网络结构实现通感一体化,以及如何基于现代移动通信信号进行感知。另外,从发射器和传感接收器在空间上的分布方式来看,在传感方面,这类系统类似于传统的单基地、双基地和多基地雷达[3]。综上,以通信为中心的一体化系统能够实时感知和监测通信网络状态和用户请求,并根据感知数据进行智能决策和自主调整相关参数,因此,具有实时性强、智能化程度高、服务质量优化等优点。但是,不同的通信协议之间可能存在兼容性问题,且系统的复杂性较高。

图3 以感知为中心的一体化系统Fig.3 Sensing-based integrated sensing and communication systems

1.4 通感一体化融合系统

通感一体化融合系统与前两类系统之间没有明确的界限,但其在信号和系统设计方面有更多的自由。具体来说,这类系统的开发不局限于现有的通信或雷达系统,其典型系统架构如图5所示。可以通过综合考虑通信和感知的基本性能要求来设计和优化此类系统,以获得更好的性能权衡、更高的硬件资源利用率和频谱效率。MIMO技术和毫米波、太赫兹等高频段应用的发展促进了通信和感知的联合设计。一方面,毫米波所具有的大带宽为高速率通信和高精度感知提供了巨大的潜力;另一方面,MIMO技术可以在通信带宽不增加的前提下为感知提供大信号带宽,很大程度上降低了硬件成本,并且能与通信系统的频谱进行很好匹配。文献[30]分析了毫米波段的通感一体化在室内和车联网中的可行性和潜力。文献[31-32]研究了用于无源雷达的组合多信道信号进行传感的工作。综上,通感一体化融合系统可以实现资源的有效调度和管理,提高网络的带宽、传输速率和可靠性,增强系统的自适应性,实现智能化的网络管理。

图4 以通信为中心的一体化系统Fig.4 Communication-based integrated sensing and communication systems

图5 通感一体化系统模型Fig.5 Integrated sensing and communication system models

2 通感一体化系统架构

通感一体化是支持通信与感知功能、服务和应用一体化的系统,因此所设计的波形既要适用于通信,又要赋予其感知能力。本节将从统一表征和融合机理角度对通感一体化系统架构进行分析。

考虑一个多通信用户的通感一体化网络,系统模型如图5所示。系统中存在1个具有N根天线阵列的双功能MIMO基站,K个单天线通信用户和1个单天线目标(K

x=Ws

(1)

(1)式中:W={w1,w2…wK}∈N×K表示波束成形矩阵;s∈K×1表示通信符号。则第K个通信用户接收到的信号为

y=Hx+nu

(2)

(2)式中:H={h1,h2…hK}∈N×K表示信道矩阵;表示通信接收机处的噪声。接收到的回波信号表示为

ys=Gx+nt

(3)

3 通感一体化波形设计

通感一体化波形设计的目标是使用同一波形同时实现高数据速率传输和高精度感知。当前通信系统大多采用连续波形体制,以正交频分复用波形为代表;而感知系统以脉冲波体制和周期连续波体制居多,如线性调频脉冲信号、WIFI定位系统中的正交频分复用信号等[33]。为了适配6G系统的高频谱效率、高可靠性、低延迟、低功耗等需求,采用连续波体制已经成为实现通感一体化波形的主流趋势。图6所示为一体化波形的设计框图。

3.1 以感知为中心的一体化波形设计现状分析

考虑到通信辅助感知服务是通感一体化的应用场景之一,而雷达是感知的主要实现方式,因此本文主要分析雷达感知。感知系统中通信的实现一般是将脉冲雷达信号或连续波雷达信号作为载波去调制通信信号,在尽可能保证感知性能的前提下实现通信功能。以感知为中心的一体化波形设计方法的优缺点如表1所示。针对以感知为中心的一体化波形设计问题,文献[34]提出了一种将用于感知的线性调频(linear frequency modulation,LFM)脉冲作为载波调制最小频移键控(minimum-shift keying,MSK)通信信号的双功能波形产生方法。仿真结果表明,随着比特数的增加,模糊函数的形状越来越接近“图钉状”,且调制引起的频谱扩展较小,会带来频带间干扰、功率泄露等问题。为了解决此问题,文献[35]介绍了一种基于部分模块的LFM序列波形,即只在载波的某一段上对通信信号进行调制。文献[36]提出在忽略Chirp信号相关值的情况下,设置奇数路的调频率为负,偶数路的调频率为正,其中,奇数路是雷达的子载波,偶数路是载波,仿真结果表明此方法显著减小了带间干扰,但是通信数据调制解调复杂。文献[37]将幅值键控(amplitude shift keying,ASK)信号调制到LFM脉冲上,这种调制方法对信噪比要求较高,且破坏了LFM脉冲的恒包络特性。为了解决恒包络破坏问题,文献[38]提出了一种对LFM的相位进行相移键控(binary phase shift keying,BPSK)调制的方法。文献[39]进一步提出将用于通信的正交相移键控(quadrature phase shift keying,QPSK)技术来调制LFM相位的方法,可以获得包络较为恒定的双功能波形。

图6 一体化波形设计框图Fig.6 Diagram of integrated waveform design

表1 以感知为中心的一体化波形设计总结Tab.1 Summary of integrated waveform design in sensing-based systems

上述一体化波形的设计均采用了低阶调制方法,导致通信速率不高。为了提高通信速率,文献[40]提出将多进制正交幅度调制(quadrature amplitude modulation,QAM)作为调制信号,LFM信号作为载波,以此获得MQAM-LFM一体化波形的方法,并通过仿真验证了此波形具有与64QAM一样的误码率,通信速率高于BPSK-LFM、QPSK-LFM等低阶调制的一体化波形,且其模糊函数接近“图钉状”,具有较为理想的速度分辨率。

相比于文献[34-40]中讨论的单载波方法,多载波方法能在通信和感知性能之间取得更好的权衡,更加适用于医疗监测、低空监测[41]等对频谱效率和数据传输速率要求较高的场景。文献[42]使用随机步进频率(stepped frequency,SF)信号来设计一体化波形,仿真结果证明此方法可以同时获得高分辨率雷达成像性能和高数据传输速率。分数傅里叶变换(fractional Fourier transform,FrFT)是另一类多载波波形设计方法,文献[43]提出了一种通过FrFT产生一组准正交Chirp信号,并将其作为载波调制通信信号的方法,在一定程度上提高了数据速率,但其数据处理复杂度较高,应用场景有限。

3.2 以通信为中心的一体化波形设计现状分析

感知增强通信是通感一体化的另一个重要场景。其波形设计方面的研究主要是从基于正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)、基于扩频序列、基于正交时频空(orthogonal time frequency space,OTFS)等方面展开的。其优缺点如表2所示。

表2 以通信为中心的一体化波形设计总结Tab.2 Summary of integrated waveform design in communication-based systems

OFDM波形凭借其较低计算复杂度和较高频谱利用率成为一体化波形设计的焦点。在文献[44]中,雷达脉冲由一系列OFDM符号组成,这些脉冲进一步可以作为通信的一帧或多帧,并对目标回波信息进行解相干和补偿处理,以同时实现通信和感知功能。文献[45]提出了一种基于FrFT的联合雷达通信系统波形设计方法,将要发送的通信数据嵌入到具有不同时频速率的线性调频子载波中,通过仿真证明,与具有相同持续时间和带宽的LFM脉冲相比,此波形具有良好的雷达特性,且数据传输速率可达3.660 Mbit/s,与最先进的中程雷达通信系统相比速率有较大提升。但是,上述一体化波形的峰值平均功率比较高,导致系统总体效率和性能降低,且通信信号容易失真。为了解决此问题,文献[46-47]通过最小化代价函数(包络变化系数)降低峰值平均功率比,并通过应用最小二乘算法保证成本函数单调减小。

为了获得较好的传输性能、尽可能增大雷达感知的模糊度,文献[48]提出将OFDM一体化波形与MIMO技术相结合,把通信符号通过旁瓣控制和波形分集技术嵌入到雷达波形中,由于每个波形中只允许嵌入一个比特,因此通信速率不高,且只适用于测距场景。文献[49]提出了一种基于OFDM的鲁棒一体化波形设计方法,对于所有类型的信道不确定性,该方法得到观测信号和随机目标响应脉冲之间的通信数据速率和条件互信息的加权和波形,并通过仿真证明了此鲁棒波形在最坏情况下具有可接受的通信和感知性能,且其整体性能较非鲁棒波形有较大提升。

OFDM虽然是设计一体化波形的一种很有前途的选择,但其不适用于对时延、吞吐量、数据速率等有较高要求的高速移动场景。文献[50]提出正交时频空间(orthogonal time frequency space,OTFS)调制,通过时频域上完全分集的设计,将调制信号所经历的衰落时变的信道转换成与时间无关的信道,仿真结果表明,这种信道分集的设计方法可以极大提高大天线阵列系统的性能。进一步,文献[51]提出了一种从后向散射信号中估计目标的距离和速度的最大似然算法,并推导出了相应的克拉美罗界(Cramér-Rao bound,CRB)下限,通过仿真证明了提出的基于OTFS的一体化波形具有和专用雷达波形相同的感知精度,且数字调制符号可用于全速率传输信息,通信和感知性能均不会受到损失,其缺点是算法复杂度较高。为克服这一缺点,文献[52]提出了一种基于稀疏贝叶斯学习的低复杂度目标参数估计算法。

采用机会主义融合设计方法(以感知为中心的一体化波形、以通信为中心的一体化波形)时,不可避免地面临一个挑战,即在优化某一功能时,会导致另一功能受到限制。具体来讲,当以通信信号为中心设计波形时,传输信号的随机特性可能会降低信号的自相关和互相关特性,影响感知的动态范围和分辨率,或过多地将感知范围约束在通信方向上;当以感知信号为主导设计波形时,由于雷达波形和脉冲重复频率的限制,通信速度可能大幅度降低,难以满足车联网等大带宽和低时延的应用需求。因此,联合机会主义融合(通信感知融合)设计是一个很有前景的策略。

3.3 通信感知融合的一体化波形设计现状分析

3.3.1 一体化波形融合设计方法

通信感知融合的一体化波形是指在不依赖现有通信和感知波形的情况下自底向上统一设计的一体化波,不仅可以在高速率通信的同时完成精准感知,且可以提供额外的自由度和灵活性。近年来,大量通过联合优化通信和感知性能的通感融合的一体化波形设计的工作出现在人们的视野中。

文献[53]利用预编码技术设计了一体化MIMO波形,在保证下行链路中每个用户的信干噪比(signal to interference plus noise ratio,SINR)的情况下最小化目标估计的CRB,提出连续凸近似算法以解决建立的非凸优化问题。在文献[53]的基础上,文献[54]依据感知目标与发射机距离的大小,将感知目标分为点目标和扩展目标两类,对于单通信用户场景,推导了两种目标类型下问题的闭式解,对于多通信用户场景,利用半定松弛方法求出了问题的最优解,并证明了问题的解是可以获得的。能量效率也是一体化波形设计中需要考虑的一个重要指标,文献[55]将通信用户的能量效率作为目标函数,将单个雷达波束方向增益作为约束条件设计一体化波形,针对此非凸分数规划问题,作者提出了半定松弛和连续凸近似算法以获得问题的解,并证明了引入的半定松弛是紧的。为了在通感之间取得更好的权衡和更高的系统性能增益,文献[56]在非正交多址通感一体化系统中,以每个下行链路通信用户的SINR为约束条件,建立了最大化感知信干燥比的优化问题,并通过半定松弛方法求得了波束成形矩阵。

上述工作均基于完美的信道状态信息,然而,在实际系统中,由于系统估计误差,时延等因素的影响,完美的信道状态信息是很难获得的[57],且实际系统中可能存在潜在的窃听者,因此,物理层安全也是一体化波形设计中需要考虑的一个重要问题。在有界信道误差存在的情况下,文献[58]认为发送给通信用户的合法信息会被感知目标窃听,为了确保信息传输的保密性,作者在发射机处加入了人工噪声,并在保证合法用户SINR的情况下最小化感知目标处接收的信噪比,使用半定松弛方法得到了具有鲁棒性的安全波束矢量。基于文献[58],文献[59]考虑了一体化波形服务多个通信用户和多个感知目标同时存在多个窃听者的场景,同样引入人工噪声以确保数据传输的保密性,在保密性能和功率预算约束下最小化设计波束图和期望波束图之间的均方差,并利用伯恩斯坦不等式和半定松弛技术将非凸优化问题转化成可处理的凸形式,通过仿真证明了所提的鲁棒波束成形算法能够接近完美信道状态信息下的系统性能。进一步,文献[60]考虑了高斯和有界两种信道状态信息误差,在安全通信约束下,最小化感知的波束图匹配误差和互相关模式的加权和。当信道状态信息误差有界时,采用最坏情况保密率约束确保安全通信,并利用S过程、半定松弛技术和一维搜索技术给出问题的最优解;当信道状态信息误差服从高斯分布时,采用保密中断概率确保安全通信,并利用伯恩斯坦不等式和半定松弛技术获得问题的最优解。

3.3.2 一体化波形性能研究

软硬件资源的有限性导致了一体化系统中通信和感知性能之间的相互制约关系,且现有的信息论只能从单一的维度指导通信或者感知性能的优化。因此,构建新型的性能指标是通感性能联合优化和性能折中的关键。本节将从一体化波形统一的性能度量和性能折中关系两个角度展开讨论。

1)一体化波形统一的性能度量。在通感一体化系统中,通信性能指标往往基于香农容量,而感知指标大多数为方均误差。为了打通通信理论和感知理论的边界,更好地揭示两者性能之间的耦合关系,新型指标“界”“率”“比”应运而生,具体说明如下。

•“界”指标。由于均方误差易受感知场景的影响,且与其相关的优化问题求解复杂度高,因此,考虑其性能界限以满足感知场景的多样性,目前应用最广泛的界限指标是CRB,即目标估计方均误差的下界,除此之外,Ziv-Zaka界等也频繁出现。

•“率”指标。为了在相同的物理含义下对通感的性能进行联合优化和折中,已有研究通过类比通信互信息,定义了面向通感一体化的新型感知指标:感知互信息,其物理意义是信道状态与接收信号的条件互信息。

•“比”指标。通过类比通信中的信噪比定义“感知比”指标,例如文献[61]面向感知中的杂波效应,构建了杂波噪声比作为感知性能指标。

2)一体化波形性能折中关系。对于通感一体化系统中通信和感知之间的性能折中,根据无线资源的复用方式,折中理论可以分为时分、频分和空分3类。

•时分。时分体制的折中关系可以分为基于IEEE 802.11ad等现有标准和不基于现有标准2类。文献[62]中基于现有标准改进的毫米波汽车雷达,可实现数据速率与感知CRB之间的性能折中,仿真结果表明,当导码时间较长时,可实现Gbps量级的通信和高精度感知。

•频分。相较于时分体制,频分下的通感一体化适用性较为有限,大多数采用正交频分多址波形,通感性能之间的折中关系按照优化问题分为通信约束感知优化、通信感知联合优化、感知约束通信优化。例如文献[21]将通信速率与感知估计速率的加权和作为一体化系统的总体性能指标进行优化,并给出了不同频分体制和权重系数下和速率的最优情况。

•空分。空分体制随着MIMO的发展成为通感一体化研究的热点方向之一,其性能研究可分为干扰性能分析、旁瓣控制策略、预编码波形优化。例如文献[61]在多用户雷达杂波效应场景下,推导了雷达载噪比与通信用户SINR之间的折中关系,仿真结果表明,雷达杂波效应可以通过增加天线数量而消除。

4 挑战和未来研究趋势

综上所述,通信感知一体化作为6G的突出技术方向,凭借其自身频带利用率高、尺寸小、兼具高智能化和高共享度等优势,得到了广泛应用和快速发展,但依然存在较多具有挑战性的问题。一体化波形设计方面存在的挑战和未来研究趋势如图7所示。

图7 通感一体化系统波形设计的挑战和未来研究趋势Fig.7 Challenges and future research trends of waveform design in integrated sensing and communication systems

4.1 灵活且可重构的通信感知一体化波形

由于通感一体化技术的应用场景是多样的,因此一体化波形必须具有灵活性和可重构性。OFDM作为通信系统的主流调制技术,如何让其与现有通信系统更加兼容是一体化波形设计需要考虑的一个重要问题。另外,针对高动态的移动场景,可以使用OTFS新型调制技术,相关的研究可以参考文献[63]。

4.2 太赫兹一体化波形

太赫兹频段(0.1～10 THz)不仅可以提供海量业务所需的超大带宽,且具有波长小、集成尺寸小、时延超低、数据传输速率超高等优势,是通感一体化系统最有应用潜力的频段之一,其与超大规模MIMO天线结合正在成为下一个研究热点。太赫兹一体化波形在提供极高的数据速率和频谱利用率的同时,超窄的波束成形也给波束对准带来了极大的挑战。

5 结束语

第六代移动通信系统将通信和感知深度融合使得二者互惠增强,从而实现更高的数据速率、更高的感知精度,赋能五彩缤纷的新业务等目标。一体化波形设计作为通感一体化技术的一个重要方面,已经成为全球研究的焦点。本文从波形设计的角度对通感一体化系统进行了综述,详细分析、比较了目前大多数最先进的波形设计方法。具体来说,本文首先简要对比介绍了3类通感一体化系统;然后综述了以感知为中心的一体化波形设计、以通信为中心的一体化波形设计、通信感知融合的一体化波形设计与优化方法;最后分析了通感一体化波形设计的潜在挑战和未来研究趋势。此综述旨在使读者快速全面地了解通感一体化及其波形设计的当前状况,从而吸引更多的研究人员进入这一领域。