基于速率分割的通信感知一体化技术研究.pdf

摘要

近年来，云计算、人工智能、大数据等技术发展迅速，这些技术的发展使

未来第六代移动通信系统（6thGenerationMobileCommunication，6G）不仅能

在通信性能上有所突破，更是会向自动化和智能化的方向发展，预期能够支持

数据传输、目标感知、保密通信、计算功能等。其中，通信感知一体化技术

（IntegratedSensingandCommunication，ISAC）是6G的一项关键技术，它使

得通信系统能够获得周围物体与环境的参数，为智能家居、自动驾驶、自动化

工业生产等应用场景赋能。不光如此，在ISAC系统中，通信系统与感知系统是

联合交织在一起的，能够共用大部分硬件设施，共同处理一部分信号，使得原

本需要制造两套系统的硬件成本大大降低。由于一体化系统在设计之初妥善考

虑通信与感知之间的相互影响，整体联合性能将大大提升。并且，由于信号共

用相同的带宽，还能够有效缓解日益严重的频谱短缺问题。因此，ISAC系统将

会在设备成本和规模、系统性能、频谱使用等方面具有显著优势。

另一方面，6G相比第五代移动通信系统（5thGenerationMobile

Communication，5G）网络在带宽、时延以及可靠性等方面均有着更高的要求，

这就迫切的需要一种更加灵活的多址接入方式来支撑性能，妥善处理不同用户

之间的干扰。而速率分割多址接入（Rate-SplittingMultipleAccess，RSMA）技

术则正是这样的一种潜在的6G多址接入技术，它能够将部分干扰解码，将部分

干扰视为噪声进行处理，具有更好的鲁棒性，在自由度、加权和速率（Weighted

SumRate，WSR）、能量效率等方面具有显著优势。

本论文旨在设计一种基于RSMA的ISAC系统（RSMAenabledISAC，

RISAC），进一步提升现有ISAC系统的联合性能。针对不同应用场景中侧重

点的不同，本论文从RISAC系统用户公平性与参数估计问题以及用户差异性与

目标检测问题两个不同的角度出发。所提RISAC系统服务于多个用户和一个目

标，实现在通信的同时对目标进行感知的功能。

在用户公平性与参数估计问题中，提出了一个在保证用户速率大于阈值的

前提下，最小化估计参数的克拉美-罗下界（Cramer-RaoLowerBound，CRLB）

的优化问题。针对该问题的非凸性，将该问题拆分为内部优化问题与外部优化

问题进行交替求解，其中内部优化问题采用半正定松弛法（Semidefinite

Relaxation，SDR）转换为了一个凸问题，外部优化问题则采用粒子群（Particle

SwarmOptimization，PSO）算法进行求解。数值结果显示，该RISAC系统的

通信与感知联合性能优于传统的基于空分多址接入（SpaceDividedMultiple

Access，SDMA）的ISAC系统。

在用户差异性与目标检测问题中，提出了一个在保证目标检测性能的前提

下，最大化用户加权和速率（WeightedSumRate，WSR）的优化问题。针对该

问题的非凸性，联合采用加权最小均方误差（WeightedMinimumMean-Square

Error，WMMSE）与连续凸逼近（SuccessiveConvexApproximation，SCA）算

法，将其转化为了一个凸问题，并通过多次迭代进行求解。将该RISAC系统与

基于SDMA和非正交多址接入（Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA）的

ISAC系统进行对比后发现，所提系统的通信与感知联合性能较为优异。

关键词：速率分割；通信感知一体化；克拉美-罗下界；加权和速率

Abstract

Inrecentyears,technologiessuchascloudcomputing,artificialintelligence,

andbigdatahavedevelopedrapidly.Thedevelopmentofthesetechnologies

enablesthefuturesix