基于RIS輔助的通信感知一體化技術(shù)研究

關(guān)鍵詞：智能超表面；大規(guī)模多輸入多輸出；通信感知一體化；性能權(quán)衡；波束設(shè)計(jì)；資源調(diào)度

0引言

隨著SG的大規(guī)模商用，6G已成為全球研究熱點(diǎn)。在5G的戰(zhàn)略競爭中，我國已處于世界領(lǐng)先地位。我國為了確保在通信領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，于2019年組織成立了6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組IMT-2030。2021年12月，國務(wù)院發(fā)布《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》明確指出，前瞻布局第六代移動(dòng)通信（6G）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)儲(chǔ)備，加大6G技術(shù)研發(fā)支持力度，積極參與推動(dòng)6G國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。

面向2030年及未來，6G將全面構(gòu)建人機(jī)物高效互聯(lián)互通的新型網(wǎng)絡(luò)，助力實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理世界與虛擬數(shù)字世界的深度融合，全方位滿足人類的多樣化需求。這意味著6G網(wǎng)絡(luò)將具備智能交互、多維感知、數(shù)字孿生、安全內(nèi)生和全域覆蓋等新功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知物理世界并鏡像映射數(shù)字世界的能力。此外，以沉浸式云括展現(xiàn)實(shí)（ExtendedReality，XR）、智慧城市、智慧交通、智能制造、全息通信和數(shù)字孿生等為代表的多種新型垂直應(yīng)用場景層出不窮。因此，隨著應(yīng)用場景的復(fù)雜化、多元化、智能化和高端化，6G網(wǎng)絡(luò)要求具有對環(huán)境的智能感知和對信息的優(yōu)化處理的能力。通信感知一體化（Integrated Sensing and Communication， ISAC）將作為6G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)性核心技術(shù)去開辟新的發(fā)展賽道，旨在進(jìn)一步提升6G網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)，服務(wù)更多高端復(fù)雜的應(yīng)用場景，滿足人與人、人與物、人與環(huán)境之間的溝通需求。因此，深入研究通感融合技術(shù)是國家發(fā)展以新一代通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以融合基礎(chǔ)設(shè)施為突破的新型數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施體系的關(guān)鍵響應(yīng)，是邁向數(shù)字強(qiáng)國和提升綜合國力的戰(zhàn)略支撐。

對于通信感知性能邊界難以權(quán)衡的問題，從信息論角度提出通感性能權(quán)衡方法，提出采用信道容量、能量效率、譜效率、通信覆蓋率和感知失真代價(jià)函數(shù)、克拉美羅界、感知容量與感知覆蓋率等指標(biāo)，構(gòu)建ISAC網(wǎng)絡(luò)完備的性能權(quán)衡理論體系。在此基礎(chǔ)上，介紹了采用正交時(shí)頻空間（Orthogonal TimeFrequency Space，OTFS）作為智能超表面（Reconfigu-rable Intalligeut Surface，RIS）輔助ISAC波形的優(yōu)勢，并提出設(shè)計(jì)波束色散影響下通信感知多任務(wù)參數(shù)低開銷估計(jì)算法，以及基于動(dòng)態(tài)目標(biāo)行為感知輔助的通信增強(qiáng)技術(shù)，保障通信感知數(shù)據(jù)可靠傳輸。通過RIS實(shí)現(xiàn)高低頻協(xié)作通信感知波束優(yōu)化，協(xié)同控制功率和調(diào)度無線資源，實(shí)現(xiàn)通信感知資源最優(yōu)部署。

1問題描述

1.1RIS輔助ISAC

ISAC作為6G中一項(xiàng)極具發(fā)展前景的技術(shù)，通常是指通過軟硬件資源的協(xié)同與共享，同時(shí)具備物理一數(shù)字空間感知和泛在智能通信的能力，在無線信道傳輸信息的同時(shí)感知周圍環(huán)境特性，實(shí)現(xiàn)通信和感知功能的互相增強(qiáng)。相比于傳統(tǒng)獨(dú)立的通信與感知系統(tǒng)，ISAC將二者有機(jī)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，不僅可以利用相同的頻譜，甚至可以共享硬件和信號處理模塊實(shí)現(xiàn)多樣化的感知服務(wù)，也可以利用感知的結(jié)果去輔助信道狀態(tài)信息的獲取、波束賦形、波束跟蹤以及通信的接入和管理等。

RIS起源于“超表面”的概念，是現(xiàn)場可編程技術(shù)和可編程超材料相結(jié)合的產(chǎn)物，可以人為調(diào)控與入射電磁波相互作用。具體來說，RIS陣面包含大量反射單元，可以獨(dú)立地控制每個(gè)反射單元的電氣特性，主動(dòng)重構(gòu)入射電磁波特性，如幅度、相位、極化和頻率等。與此同日寸，RIS饋電電路簡單，無需大帶寬射頻鏈路器件，可近似工作在無源狀態(tài)。此外，RIS陣面結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)可塑性，尺寸簡單易擴(kuò)展，具有較輕重量，易部署在各種物體表面。RIS的部署加強(qiáng)了在下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸時(shí)基站發(fā)射功率集中到很小的空間區(qū)域的能力，同時(shí)確保了在上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)明確區(qū)分不同空間區(qū)域所包含不同用戶的數(shù)據(jù)信息，即RIS輔助系統(tǒng)具有較強(qiáng)的空間辨識能力。鑒于此，RIS與ISAC的有機(jī)結(jié)合存在天然的優(yōu)勢并潛藏巨大的相互增益，如圖2所示。

首先，更大帶寬、更高頻段和大規(guī)?？删幊蘎IS陣列的使用加強(qiáng)對環(huán)境和周圍信息的獲取，使高精度、高分辨感知成為可能，從而能夠在一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)ISAC。大帶寬高頻譜的使用可以在很小的設(shè)備尺寸內(nèi)集成足夠多的天線，使得ISAC設(shè)備更易集成安裝和攜帶，也可實(shí)現(xiàn)超高精度定位和成像應(yīng)用。大規(guī)模RIS陣列的使用極大拓展了陣列孔徑，為感知提供了更高的空間分辨力和更強(qiáng)的抗干擾能力。其次，輔助波束成形。通過大規(guī)模RIS陣列形成的窄波束對環(huán)境和目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行感知，實(shí)時(shí)調(diào)整波束搜索范圍，降低波束搜索和鏈路建立時(shí)間，有助于移動(dòng)場景下的實(shí)時(shí)波束跟蹤，增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ僬?，輔助信道獲取。大規(guī)模智能超表面一通信感知一體化（RIS-ISAC）通過利用信號回波來取得信道角度先驗(yàn)信息，可以顯著減少導(dǎo)頻開銷，并通過利用信號回波替換信道反饋來降低量化誤差和反復(fù)開銷，改善信道估計(jì)性能。最后，輔助資源分配。大規(guī)模RIS-ISAC大量使用感知信息和結(jié)果，例如用戶屬性、終端狀態(tài)等，以便有效地輔助通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更靈活的信道按需分配、更高效的帶寬和功率分配以及計(jì)算資源調(diào)度。

1.2通感融合面臨的挑戰(zhàn)

感知功能和通信功能各有特點(diǎn)和需求，感知在融合無線通信理論和技術(shù)過程中也存在相應(yīng)矛盾：

①資源共享導(dǎo)致性能邊界難權(quán)衡。對于獨(dú)立的通信系統(tǒng)與感知系統(tǒng)，其性能極限均有較為完備的理論基礎(chǔ)。然而，在ISAC系統(tǒng)中，通信與感知功能共享資源，必然在無線資源的使用上產(chǎn)生競爭關(guān)系。因此，其最優(yōu)性能邊界的刻畫可以描述為一個(gè)帕累托泛函優(yōu)化問題，無法僅基于信息論或估計(jì)論加以解決。如何精準(zhǔn)地刻畫其理論邊界和資源管控是亟待解決的問題。

②通信隨機(jī)性與感知確定性矛盾。通信系統(tǒng)希望信號中盡可能多地?cái)y帶信息，故信號需要具有隨機(jī)性；此外，感知系統(tǒng)則希望感知性能總處于最優(yōu)狀態(tài)，這要求信號具有一定程度的確定性。所以，通信信息的隨機(jī)性與感知所需的恒包絡(luò)、低副瓣和強(qiáng)自相關(guān)等指標(biāo)存在矛盾，需要考慮二者的權(quán)衡。

③通信定向服務(wù)與感知全向掃描矛盾。感知系統(tǒng)需要產(chǎn)生波束掃描效果，以實(shí)現(xiàn)更大范圍的目標(biāo)檢測；而通信系統(tǒng)則通常需要產(chǎn)生精確對準(zhǔn)通信接收方的波束．以保障可靠穩(wěn)定的大容量通信。此外，大數(shù)量的天線陣列帶來高分辨率的同時(shí)也產(chǎn)生了波束色散。高空間分辨率使得高精度感知成為可能；然而，波束色散效應(yīng)卻又造成能量泄露和參數(shù)估計(jì)不準(zhǔn)確，產(chǎn)生定位精度下降和能耗更高的矛盾。

④多任務(wù)并行與多維資源競爭矛盾。感知過程中信號是雙程傳播，而通信信號的傳播是單程的，因此基站需要為感知波形分配更高的功率。但是指向感知目標(biāo)的大功率波束中也攜帶了通信用戶的信息，導(dǎo)致通信私密信息有可能被感知目標(biāo)所竊聽。此外，通信和感知為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)工作且互不干擾，需要根據(jù)實(shí)際情況按需動(dòng)態(tài)分配信道，但這與傳統(tǒng)的先感知后分配產(chǎn)生矛盾。所以，針對ISAC網(wǎng)絡(luò)多任務(wù)高質(zhì)量并行的追求迫使多維資源產(chǎn)生競爭的局面，需要整體考慮并聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目前，ISAC的相關(guān)研究仍處于起步階段，需要從基礎(chǔ)理論到實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用進(jìn)行全方位地探索，充分發(fā)掘其寶貴價(jià)值。為了充分地發(fā)掘其潛在的技術(shù)優(yōu)勢，需要探索通感融合的性能界限，分析其傳輸技術(shù)，尤其是在大規(guī)模天線陣列、動(dòng)態(tài)感知目標(biāo)和靜態(tài)感知目標(biāo)共存的復(fù)雜場景下的一體化波形設(shè)計(jì)，多任務(wù)參數(shù)估計(jì)和感知信息輔助通信增強(qiáng)策略。在此基礎(chǔ)上，還需要研究波束優(yōu)化、高低頻協(xié)作感知和無線資源分配方案。

2基于RIS輔助的通信感知性能權(quán)衡

基于RIS輔助的ISAC系統(tǒng)需要兼顧通信性能與感知性能，實(shí)現(xiàn)二者的折中。因此，如何從多角度界定通信感知性能是首要研究內(nèi)容。

以感知的角度，系統(tǒng)的性能可以歸納為參數(shù)估計(jì)問題；以通信的角度，信息論是評估和分析無線通信系統(tǒng)的核心理論。在信息論領(lǐng)域，通常采用信道容量和失真函數(shù)來分別刻畫通信性能與感知性能。容量失真權(quán)衡問題最早由Sutivong等人進(jìn)行了研究，他們考慮簡單的二進(jìn)制信道和高斯加性信道，針對消息速率和狀態(tài)估計(jì)錯(cuò)誤率的權(quán)衡問題提出了解決方案。文獻(xiàn)[7]基于具有獨(dú)立同分布狀態(tài)信息的無記憶信道，對反向散射信號進(jìn)行了廣義反饋建模，系統(tǒng)性地描述了容量失真權(quán)衡問題，并且對容量失真代價(jià)函數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)定義，為后續(xù)工作提供了框架指導(dǎo)?；诖丝蚣?，文獻(xiàn)[8-10]分別基于無記憶狀態(tài)依賴點(diǎn)對點(diǎn)信道、多用戶信道和廣播信道，對容量失真權(quán)衡問題進(jìn)行了深入地研究。文獻(xiàn)[11]將雷達(dá)信號和通信信號置于統(tǒng)一框架下研究，定義基于克拉美羅界的雷達(dá)速率評估準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了一種針對雷達(dá)與通信聯(lián)合估計(jì)的理論評估準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[12]在多天線組播信道下，針對多天線發(fā)送和單天線接收場景，利用克拉美羅界一通信速率可達(dá)域進(jìn)行通感性能均衡，對傳輸信號協(xié)方差和波束設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[13]考慮多輸入多輸出（Mul-tiple-lnput Multiple-Output，MIMO）場景，提出了一種基于帕累托邊界的克拉美羅界一通信速率可達(dá)域，對感知性能中的克拉美羅指標(biāo)和通信性能中的通信速率指標(biāo)進(jìn)行了界定。文獻(xiàn)[14]基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplex， OFDM）系統(tǒng)，提出了通信和感知性能均衡的一般性框架，定義了克拉美羅界一容量區(qū)域，以此為約束條件實(shí)現(xiàn)最佳的輸入分布。文獻(xiàn)[15]考慮時(shí)分的ISAC網(wǎng)絡(luò)，使用隨機(jī)幾何分析了雷達(dá)測距和通信覆蓋率的性能。在室內(nèi)場景，文獻(xiàn)[16]刻畫了在雜波情況下ISAC中雷達(dá)的檢測性能。文獻(xiàn)[17]針對感知和通信共享波形的車聯(lián)網(wǎng)分析了雷達(dá)檢測性能。對于使用雷達(dá)波形進(jìn)行通信的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[18]分析了雷達(dá)檢測性能和通信覆蓋率。文獻(xiàn)[19]在ISAC的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中分析了雷達(dá)檢測性能。然而由于感知和通信性能指標(biāo)的差異，上述工作沒有對ISAC網(wǎng)絡(luò)的性能提供統(tǒng)一的分析框架。

考慮到上述工作中不足之處，分別從基于信息論、BCRB以及頻譜、能量效率的角度考慮大規(guī)模RIS輔助通信感知性能權(quán)衡方案。在信息論領(lǐng)域，通常采用信道容量和失真函數(shù)來分別刻畫通信性能與感知性能。然而，現(xiàn)有研究考慮的通信接收機(jī)和感知目標(biāo)多為同一物理節(jié)點(diǎn)，且通信、感知信道多為單輸入單輸出（Single-Input Single-Output，SISO）模型。因此，考慮具有如下特點(diǎn)的ISAC場景：通信用戶與感知用戶在物理空間上隔離，收發(fā)為MIMO并通過RIS輔助進(jìn)行通信感知操作，用戶數(shù)為多個(gè)乃至大規(guī)模，進(jìn)而從多用戶信息論的角度研究其速率一失真容量區(qū)域。在實(shí)際系統(tǒng)中，難以求解失真代價(jià)函數(shù)的閉式解，可采用統(tǒng)計(jì)信號理論中的貝葉斯克拉美羅界（Bayesian Cramer-Rao Bound，BCRB）來評估感知性能。與此同時(shí)，為了提升感知和通信性能，通常采用大規(guī)模MIMO陣列，其不可避免地伴隨著高能耗的問題，需同時(shí)考慮能量效率與譜效率來實(shí)現(xiàn)高容量與綠色通信的并存。此外，在高移動(dòng)性環(huán)境中可能存在動(dòng)態(tài)感知目標(biāo)，與靜態(tài)感知目標(biāo)共同構(gòu)成了復(fù)雜的ISAC傳輸環(huán)境。因此，有必要探究存在動(dòng)態(tài)感知目標(biāo)的RIS-ISAC場景，并揭示能量效率、譜效率與BCRB三者的折中關(guān)系。

3基于RIS輔助的通信感知傳輸技術(shù)

基于RIS輔助的通信感知傳輸技術(shù)是ISAC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)感知與通信多任務(wù)高質(zhì)量并行的重要手段。然而，隨著陣列規(guī)模持續(xù)增大、帶寬持續(xù)增加、用戶數(shù)目持續(xù)增多、環(huán)境移動(dòng)性持續(xù)增強(qiáng)，基于高維信號處理的傳輸技術(shù)將面臨高開銷、高復(fù)雜度的問題，傳統(tǒng)的時(shí)頻域波形難以克服高移動(dòng)性帶來的多普勒頻移和子載波間干擾，且寬帶大規(guī)模陣列帶來的波束色散問題難以解決。

一體化波形的聯(lián)合設(shè)計(jì)是構(gòu)建ISAC系統(tǒng)的重要內(nèi)容，需要在不同波形的特點(diǎn)之間進(jìn)行權(quán)衡，以找到最佳的通信感知性能折中。目前，針對波形設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)了基于OFDM的ISAC信號，證明OFDM在雷達(dá)成像中具有高動(dòng)態(tài)范圍特性，能夠檢測多個(gè)目標(biāo)。OTFS調(diào)制技術(shù)最初由Hadani等人在2018年提出，之后歷經(jīng)眾多學(xué)者的研究，驗(yàn)證了OTFS在信號峰均比（Peak to Average PowerRatio，PAPR）、頻譜效率以及抗多普勒方面均要優(yōu)于OFDM?；谏鲜鲈颍斜匾贠TFS波形重點(diǎn)研究一體化波形設(shè)計(jì)方案中的信道估計(jì)、符號檢測以及環(huán)境感知環(huán)節(jié)，順利完成通信功能與感知功能的共存互助，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間、頻率、空間三維資源的高度復(fù)用。

ISAC系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)通信與感知多任務(wù)的高質(zhì)量并行。為實(shí)現(xiàn)通信信道以及感知信息的獲取，關(guān)鍵在于通信感知參數(shù)的估計(jì)。在大規(guī)模陣列系統(tǒng)中，通信信道物理散射參數(shù)（時(shí)延、多普勒、角度等）通常由基站大規(guī)模陣列接收用戶上行發(fā)送的導(dǎo)頻信號進(jìn)行估計(jì)，而感知參數(shù)（距離、速度、方位等）通常通過基站接收目標(biāo)反射的回波信號估計(jì)信道物理散射參數(shù)，再依賴前期研究建立的參數(shù)映射關(guān)系導(dǎo)出。但是，在存在動(dòng)態(tài)感知目標(biāo)的復(fù)雜ISAC傳輸環(huán)境下，信道相干時(shí)間變短，系統(tǒng)只能使用更少量的訓(xùn)練信號以保證通信頻譜效率，這將導(dǎo)致更為繁多的感知任務(wù)和更為困難的ISAC設(shè)計(jì)。因而有必要根據(jù)據(jù)前期信道模型特征分析的結(jié)果，考慮多種ISAC場景，結(jié)合部分環(huán)境先驗(yàn)信息，設(shè)計(jì)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)以精準(zhǔn)覆蓋通信用戶與感知目標(biāo)。

在RIS-ISAC網(wǎng)絡(luò)中，基站與通信用戶間的鏈路由若干散射體導(dǎo)致的電磁散射徑構(gòu)成。在高移動(dòng)環(huán)境中，動(dòng)態(tài)散射體將導(dǎo)致通信感知信道出現(xiàn)高日寸變特性，難以預(yù)測。理論上，可以基于對目標(biāo)電磁物理散射參數(shù)的有效感知，構(gòu)建散射目標(biāo)行為狀態(tài)方程，挖掘散射體與通信鏈路之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，跟蹤電磁散射目標(biāo)同通信用戶間的相對拓?fù)?，預(yù)測通信信道的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信模塊，提升通信性能。但由于散射體數(shù)目眾多，會(huì)導(dǎo)致巨大的感知任務(wù)量，因此有必要深挖電磁物理散射參數(shù)與動(dòng)態(tài)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)行為之間的映射關(guān)系，預(yù)測有限的動(dòng)態(tài)感知目標(biāo)的未來行為狀態(tài)。

通信用戶和泛在目標(biāo)的精準(zhǔn)快速定位是構(gòu)建寬帶ISAC系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基站系統(tǒng)獲取用戶和目標(biāo)的位置信息后便能夠提供更好的通信鏈路，并且支持更多垂直行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用?，F(xiàn)有ISAC系統(tǒng)中的定位算法均基于窄帶信號假設(shè)，而近期研究表明使用多載波波形，如OFDM、OTFS等的寬帶通信系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)波束色散效應(yīng)，即不同頻率子載波在固定的移相器設(shè)置下的波束賦形會(huì)聚焦在不同角度方向上，造成嚴(yán)重的能量泄露和參數(shù)估計(jì)不準(zhǔn)確，因此將窄帶定位算法直接擴(kuò)展到寬帶系統(tǒng)場景并不簡單甚至不可行。針對這一問題，有必要設(shè)計(jì)波束色散影響下通信感知多任務(wù)參數(shù)低開銷估計(jì)算法，并利用感知到的環(huán)境和周邊信息，實(shí)現(xiàn)定位、波束預(yù)測、阻塞預(yù)測等過程，從而增強(qiáng)通信。

4基于RIS輔助的通信感知資源調(diào)優(yōu)

ISAC網(wǎng)絡(luò)更高維的性能域?qū)е铝硕嗑S資源競爭的局面。然而，在RIS輔助ISAC系統(tǒng)中利用大規(guī)模RIS超強(qiáng)的空間辨識能力設(shè)計(jì)通感波束，存在高功耗和波束方向未對準(zhǔn)情況下性能受損的問題。此外，現(xiàn)有的基站功率分配和資源調(diào)度無法滿足ISAC網(wǎng)絡(luò)中的多維資源需求。針對上述問題，可以通過采用新型波形（OFDM、SC-OFDM和OTFS）調(diào)制優(yōu)化設(shè)計(jì)ISAC波束。進(jìn)一步地，在高頻段大帶寬和ISAC波束未對準(zhǔn)情況下，利用低頻段下設(shè)計(jì)的波束輔助高頻段ISAC波束設(shè)計(jì)。通過干擾消除和聯(lián)合優(yōu)化手段去解決動(dòng)態(tài)信道按需分配，協(xié)同功率分配和資源調(diào)度問題，實(shí)現(xiàn)多維資源的高效合理利用。

針對聯(lián)合波束優(yōu)化設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[28]研究了基于大規(guī)模MIMO的ISAC系統(tǒng)并采用OFDM波形，在滿足特定的雷達(dá)目標(biāo)檢測率和數(shù)據(jù)傳輸速率要求的前提下，最大化總速率和能量效率。為了解決大規(guī)模MIMO場景下的高功耗問題，文獻(xiàn)[29]考慮了包括射頻鏈路功率消耗在內(nèi)的功率消耗模型，基于這一模型設(shè)計(jì)滿足感知、通信和功耗需求的波束，通過自適應(yīng)地選擇開啟部分天線的方式來滿足系統(tǒng)性能需求。文獻(xiàn)[30]考慮了低功耗的數(shù)／?；旌习l(fā)射方案，在低維數(shù)字預(yù)編碼后引入高維模擬預(yù)編碼，從而達(dá)到減少射頻鏈路、降低系統(tǒng)功耗的目的。

在RIS輔助ISAC協(xié)同技術(shù)方面，文獻(xiàn)[31]利用混合RIS輔助增強(qiáng)ISAC系統(tǒng)性能，通過交替優(yōu)化方法設(shè)計(jì)RIS系數(shù)與發(fā)射波束形成器，在保障用戶的最小信干噪比（Signal to Interference plus NoiseRatio，SINR）和保持RIS噪聲功率有界的約束下，最大化最壞情況下的目標(biāo)檢測率。部分學(xué)者針對高低頻協(xié)同提出了一定的構(gòu)想，文獻(xiàn)[32-33]考慮sub-6G與毫米波兩種頻段協(xié)作，簡略討論了基于共同部署與分布式部署的可能合作方法。在共同布署時(shí)，可以從低頻段接收信號中獲得初始參數(shù)，降低毫米波通信中的波束掃描開銷，在分布式布署時(shí)，高頻段收發(fā)器在本地?zé)狳c(diǎn)區(qū)域構(gòu)建本地?zé)o線電特征圖，低頻段收發(fā)機(jī)則負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)控制和無線電特征圖的上傳、下載。

在ISAC資源分配方面，文獻(xiàn)[34]考慮了大規(guī)模MIMO ISAC場景下單靜態(tài)傳感，提出一種功率分配策略，旨在保證雷達(dá)系統(tǒng)的最小信噪比（Signal toNoise Ratio，SNR）閾值時(shí)最大化地面移動(dòng)用戶之間的公平性。文獻(xiàn)[35]提出了無線傳能的集成雷達(dá)和通信系統(tǒng)．通過聯(lián)合優(yōu)化能量波束形成向量、能量收集時(shí)間和發(fā)射功率，最小化能量消耗。文獻(xiàn)[36]構(gòu)建了ISAC資源分配的統(tǒng)一框架，考慮通信和感知服務(wù)之間的性能權(quán)衡，所提方案可以根據(jù)通信和感知的服務(wù)質(zhì)量靈活地分配有限的功率和帶寬資源。文獻(xiàn)[37]考慮了具有正則化迫零波束形成的網(wǎng)絡(luò)ISAC的無蜂窩大規(guī)模MIMO，其中基站聯(lián)合優(yōu)化其發(fā)射功率控制，以最大化SNR，同時(shí)確保通信用戶處的通信SINR約束。

目前已有的基站功率分配和資源調(diào)度策略無法滿足ISAC系統(tǒng)中的多任務(wù)高質(zhì)量并行需求，時(shí)間、頻率、功率、天線、多站等資源未得到充分利用。有必要針對ISAC網(wǎng)絡(luò)高維性能域?qū)е露嗑S資源競爭的局面，優(yōu)化設(shè)計(jì)多載波發(fā)射波束。在高頻段大帶寬和ISAC波束未對準(zhǔn)情況下，采用RIS和高低頻協(xié)作技術(shù)來聯(lián)合設(shè)計(jì)波束。通過干擾消除和聯(lián)合優(yōu)化手段達(dá)成動(dòng)態(tài)信道按需分配、協(xié)同功率分配和智能資源調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多維資源的高效合理利用。

5結(jié)束語

面向6G的RIS輔助ISAC是國家戰(zhàn)略的關(guān)鍵一環(huán)，同時(shí)還具有重大的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值，對其深入研究能為未來無線通信系統(tǒng)的演進(jìn)帶來新思路和創(chuàng)新突破。然而，相關(guān)研究仍處于起步階段，需要從基礎(chǔ)理論到實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用進(jìn)行全方位的探索，充分發(fā)掘其寶貴價(jià)值。為了充分發(fā)掘其潛在的技術(shù)優(yōu)勢，需要探索通感融合的性能界限，分析其傳輸技術(shù)，尤其是在大規(guī)模天線陣列、動(dòng)態(tài)感知目標(biāo)和靜態(tài)感知目標(biāo)共存的復(fù)雜場景下的一體化波形設(shè)計(jì)、多任務(wù)參數(shù)估計(jì)和感知信息輔助通信增強(qiáng)策略。在此基礎(chǔ)上，還需要研究波束優(yōu)化、高低頻協(xié)作感知和無線資源分配方案。本文提出了對應(yīng)的解決方案，旨在為RIS輔助ISAC技術(shù)的后續(xù)研究和發(fā)展提供參考。在這一前沿性和基礎(chǔ)性的課題上產(chǎn)生國內(nèi)外領(lǐng)先的創(chuàng)新成果，有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率通信和高精度感知，推動(dòng)未來6G實(shí)現(xiàn)人機(jī)物智能互聯(lián)，精確地反映和預(yù)測物理世界的真實(shí)狀態(tài)，打造泛在精細(xì)、實(shí)時(shí)可信的數(shù)字世界，助力人類走進(jìn)虛擬與現(xiàn)實(shí)深度融合的全新時(shí)代。