写在前面：本推送介绍论文“Multi-Beam Integrated Sensing and Communication: State-of-the-Art, Challenges and Opportunities”的相关内容。下一代移动通信致力于打造通信、感知、算力融合的信息基础设施，因此，通信感知一体化（ISAC）技术已成为学术界和工业界的研究热点之一。随着通信频段朝毫米波甚至更高频率演进，多波束ISAC系统有望同时实现超高吞吐量通信和超高精度感知，在波束层面对通信感知进行无缝融合。针对多波束ISAC系统，本文首先概述多波束ISAC的研究现状，然后详细分析了多波束ISAC的优势。此外，介绍了多波束ISAC的发射机、信道和接收机的关键技术。最后，本文探讨了多波束ISAC所面临的挑战和机遇，对这一新兴领域的提出分析和讨论。
卓寅潇①, 毛天奇②, 李浩进③, 孙晨③, 王昭诚①, 韩竹④, 陈生⑤
①(清华大学)
②(北京理工大学)
③(索尼R&D中心)
④(休斯顿大学)
⑤(南安普顿大学)
Citation: Y. Zhuo, T. Mao. H. Li, C. Sun, Z. Wang, Z. Han and S. Chen, "Multi-Beam Integrated Sensing and Communication: State-of-the-Art, Challenges and Opportunities," IEEE Communications Magazine, vol. 62, no. 9, pp. 90-96, September 2024,
Available: https://ieeexplore.ieee.org/document/10663801
论文版权归属期刊及IEEE版权方，本文分享只体现学术贡献，未经许可禁止用于商业用途。
一、 多波束ISAC系统概述
1.1 典型ISAC系统架构
典型的多波束ISAC业务场景如图1所示。ISAC系统通常包含一个共享发射机（Tx），通信接收机（CRx），感知接收机（RRx），其中Tx可以同时发送通信和感知信号，被CRx和RRx分别接收处理。根据ISAC系统中RRx与其他设备的共址关系，ISAC系统可以进一步分为以下三种架构：
Tx-RRx共址架构：如图1中①所示，RRx为与发射机相连的接收机，如发射机本地的感知回波接收机，感知信号从Tx侧发出经目标反射后由RRx接收回波信号感知，感知模块可以看作单站回波感知雷达。在该架构中，发送的通信和感知信号具体形式均对其已知。
CRx-RRx共址架构：如图1中②所示，RRx为联合接收的毫米波通信感知接收机，如具有感知功能的通信收端，其了解通信和感知信号二者的配置信息，需要同时接收通信信号和感知信号，建立通信和双站感知的共享链路。 在该架构中，接收端可以对接收信号进行通信/感知联合接收处理，获得增益。
非共址架构：如图1中③所示，RRx与Tx、CRx均为不同的独立设备，仅接收感知反射信号，对通信信号配置未知，Tx需要与CRx和RRx分别建立通信链路与感知链路。
图1. 不同配置的多波束ISAC应用场景示意图
1.2 多波束ISAC的发展
由于毫米波频段具有短波长和丰富的频谱资源，毫米波ISAC成为了优选的研究路线之一。在这一频段上，大规模天线阵列和波束赋形技术带来了空间角度域这一新的资源维度，使得空分复用通感架构成为可能。多波束ISAC需要形成具有多个主瓣的波束，同时服务通信和感知，在信道相干时间内，多波束可以被分为两部分：具有稳定高增益的通信波束和用以跟踪移动目标的时变感知波束。多波束ISAC在空间与上分离通信和感知功能，从而实现了在同时同频上完成通信和感知业务，空分复用的设计不仅降低了干扰水平，并在波束设计方面提供了足够的灵活性和独立性，使得通信和感知的波束赋形相对自主，适用于具有不同通信数据速率、延迟要求、感知持续时间和分辨率需求的多种应用。从通感融合层次来看，多波束ISAC已经超越了简单共存阶段，进入了功能协作阶段。尽管通信和感知模块仍然在功率分配上竞争，但融合设计允许在通信和感知之间共享功率，从而提高了功率效率。例如，通过联合波束赋形设计，通信信号可以复用于感知，而感知波束的旁瓣功率泄漏可以用于增强通信信噪比（SNR）。已有研究工作提出，采用“相干相位叠加”进行波束赋形，可以通过调整感知波束的相位，使其旁瓣与通信波束叠加；另有工作表明，通过交替优化算法同时解码通信信号并估计交叉干扰信道，可以减轻交叉干扰影响。这些协作技术缓解了通信和感知之间的相互制约，促进了二者之间的协作。
1.3 与其他ISAC架构比较
除多波束ISAC架构外，学术界和工业界也提出了许多其他备选的ISAC架构，大致可以分为资源隔离设计和波形共享设计。在资源隔离设计中，通信与感知业务通常被分配在不同的时频资源块上，例如时分通感、频分通感等，其好处在于易与当前5G通信正交频分复用（OFDM）系统兼容且交叉干扰小，缺点在于频谱效率较低。波形共享设计中，使用现有通信或感知波形作为基础，将另一方信号嵌入其中，例如使用OFDM雷达、线性调频信号扩频码通信等，这种架构允许通信和感知共用完整带宽，但由于基础波形的限制，通信和感知模块难以独立调整各自所需信号参数，如强度、周期、覆盖范围等。
与上述ISAC架构相比，多波束ISAC架构在频谱效率和灵活性上均有优势，依靠空间复用技术，多波束ISAC可以在通感共享时频资源的前提下保证较低水平的交叉干扰；此外，由于通感子系统相对独立，可以各自调整所需的传输参数以满足服务质量需求。
二、 多波束ISAC关键技术
尽管多波束ISAC架构有诸多优点，其实际部署仍然面临着诸多挑战。下面本文从发射机、信道、接收机三个方面总结多波束ISAC面临的挑战和关键技术。由于通信和感知需求的差异，通信与感知波束通常需要差异化的参数设置，一个直接的方式是通过不同射频链路分别产生波束后进行叠加，形成多波束模式。然而，快速变化的感知波束产生的旁瓣效应导致通信方向波束增益快速波动，这为通信信道估计和均衡带来了很大困难。图2为波束增益波动示意图，可以看出，随着感知波束的变化，通信方向波束增益约有2.5dB波动。
为减轻波束增益波动，有研究提出对通信感知波束联合赋形，直接逼近最终所需波束模式，而非单独产生波束后叠加，这种多波束形成方式可以有效控制波束增益波动，但相应导致通信感知信号的独立性和灵活性下降。多数研究中，通信与感知信道被假设为相对独立的视距径（LOS）信道，然而在实际应用中，由于通信与感知信号共享信道环境，二者信道应当具有较强的参数相关性。以3GPP使用的散射-延时信道（CDL）模型为例，对于相同发射机而言，通信和感知信道共享散射体，因而各径水平角、俯仰角、延时参数等均具有相关性。图3给出了多波束ISAC相关信道模型表示，由于感知模块的引入，发射机通过回波信息感知环境，进而可能通过信道相关性辅助通信进行信道估计。从信息论角度分析，通过感知模块进行信道状态跟踪，可能取得通感合作增益，从而获得更高的通信速率，通过感知模块辅助进行用户定位、波束校准等，是多波束ISAC架构的独特优势。对于不同的RRx配置，其信号模型也有所差异，以最受关注的Tx-RRx共址配置为例，由于多径效应和旁瓣效应，感知信号功率会泄露进入通信收端，造成交叉干扰，严重影响通信性能。针对这一交叉干扰，有研究提出相应的干扰管理技术，针对大干扰进行资源隔离避让，针对小干扰进行迭代干扰消除，如图4所示，通过干扰管理技术，通信收端信干噪比在视距径下约有2.8dB改善，在非视距径下效果更为明显，约有3.5dB改善，显著提升了多波束ISAC系统性能。
尽管在过去的几年内，多波束ISAC技术得到了许多突破，其仍然面临诸多问题亟待研究，图5列出了多波束ISAC可能的未来研究和发展方向，下面，本文从发射机、信道、接收机几个角度，对此进行详述。3.1 波束赋形架构
多波束ISAC系统需要同时激活时变的感知波束和时不变通信波束，这要求对不同波束分量进行异步控制。然而，当前的两种主流多波束产生方法均有不足。其一是单独生成通信和感知波束后进行叠加，这使得系统可以直接异步调整通信和感知波束，但引起了旁瓣泄露问题，造成通信感知波束交叉干扰；其二是直接逼近需要的多波束模式，这种方法可以较好控制旁瓣带来的波束增益波动，但也引入了近似误差和较大的波束控制开销。因此，为了得到更好的多波束ISAC系统性能，探索更为适合通感需求的波束赋形架构至关重要。3.2 自干扰管理
由于多波束ISAC发射机需要持续发送通信信号，因此在Tx-RRx共址配置下，感知模块适合使用连续波雷达，然而，这不可避免地导致了收发双工问题。具体而言，由于ISAC发射机持续发送信号，RRx在接收感知回波时也会接收到由发射机泄露的自干扰信号，这可能导致弱目标回波被淹没，造成感知性能的下降。为了解决这一问题，除了应当对发射接收阵面进行隔离提供足够的隔离度，更有效的自干扰消除的信号处理算法也必不可少。有效的自干扰管理能够大大增强多波束ISAC系统性能。
智能超表面（RIS）的部署能够为小区进行补盲和热点增强，尤其对有障碍物遮挡的场景极为有效。利用RIS上的可控阵元，其可以吸收射入的能量再重新形成波束辐射出去，主动RIS甚至可以提供额外的能量以对抗信道乘性衰落。然而，将RIS部署到ISAC系统中，需要进行更为精细的波束赋形和调度调整以充分发挥RIS增益，RIS级联信道的测量和控制方法需要再反射增益和计算复杂度中取得合适的折中。此外，RIS面板的放置位置、方向、密度均需要仔细设计，以在实际环境约束下最大化效益。因此，RIS辅助的多波束ISAC研究具有很大潜力，对实现高效、低成本的多波束ISAC系统意义重大。多波束ISAC架构在波束这一层级上为通信和感知之间的合作提出了可能，然而，当前的合作方法仍然处于初级阶段。信息论理论分析表明，仍然有极大的通信感知协作增益空间亟待开发。在通信方面，感知辅助信道估计是一种可行的协作方法，可以减少信道估计开销，同时提高估计精度，从而实现更高的通信接收机信噪比。在感知方面，利用通信拓扑网络，多节点协同感知将成为可能，从而使单个感知设备具有更广的覆盖区域和更高的感知精度。
太赫兹频段ISAC系统在未来应用中具有巨大的潜力。一方面，宽频谱和短波长可以同时支持超高速率通信和超高分辨率成像。另一方面，其能够穿透非金属材料（如衣物和纸箱）的能力扩展了感知应用场景。然而，高频和宽频也带来了新的挑战，特别是波束分裂问题。具体而言，宽频谱导致基于离散傅里叶变换（DFT）的波束赋形中的波束方向频率选择性，即不同的子载波将具有不同的波束方向，导致非中心子载波的阵列增益显著下降，并使多波束方案中的波束重叠。一个可能的解决方案是用延时器代替相移器进行模拟波束赋形，以抑制波束分裂效应。此外，利用波束分裂效应在不同子载波上激活不同的波束，也为多波束形成提供了一种全新的方案。图5. 多波束ISAC未来研究方向和面临挑战
四、结束语
在本文中，我们首先回顾了多波束 ISAC 系统的发展。多波束 ISAC 在频谱效率、灵活性和兼容性方面具有显著优势，已成为实际应用中最具前景的 ISAC 架构之一。本文从发射机、信道和接收机的角度阐述了多波束 ISAC 的核心技术，对通信和感知模块之间的资源竞争与协作技术进行了讨论。最后，我们概述了多波束 ISAC 的挑战和未来的研究方向。
ISAC通信感知一体化公众号由IEEE通信学会通信感知一体化新兴技术倡议委员会(ISAC-ETI)成立，由ISAC-ETI Online Content Working Group (WG4) 负责维护并运行。
