写在前面：本期推送介绍论文“Frame Structure and Protocol Design for Sensing-Assisted NR-V2X Communications”的相关内容。5G NR技术为V2X网络提供了前所未有的机遇并提高了其服务质量。然而由于V2X网络中用户的高移动性，频繁的小区间切换及获取信道状态信息所需要的导频信号将增大通信系统的开销并降低系统的吞吐量。因此如何将通感一体化（ISAC）系统应用至现有5G NR框架并利用其感知功能辅助车联网通信以提高频谱效率成为ISAC的一大挑战。本文提出了适用于ISAC信号的帧结构及协议并将其应用至NR V2X网络中的三大重要阶段：初始接入、连接模式、波束中断及恢复。所提出的帧结构及协议通过利用感知功能降低了75%的导频信号开销和43.24%的参考信号开销。大量链路级仿真结果表明，所提出的方法能够更快的建立初始波束连接，在连接模式下具有更低开销、更高吞吐量及更精准的波束跟踪，并能实现快速的波束失败检测及恢复。
作者：
李韫鑫① 刘凡② 杜振③ 袁伟杰① 史清江④ Christos Masouros⑤
①(南方科技大学)
②(东南大学)
③(南京信息工程大学)
④(同济大学)
⑤(伦敦大学学院)
Citation: Y. Li, F. Liu*, Z. Du, W. Yuan, Q. Shi, and C. Masouros, "Frame Structure and Protocol Design for Sensing-Assisted NR-V2X Communications," IEEE Transactions on Mobile Computing (Early Access), 2024.
Available: https://ieeexplore.ieee.org/document/10502156
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一、基于感知辅助通信的NR V2I信号模型
在本文中，我们考虑在5G NR标准框架下使用毫米波频段和OFDM信号的V2I网络，并假设基站在全双工模式下工作并配备大规模MIMO均匀面阵。车联网中的车辆也配备MIMO均匀面阵并保持与基站持续通信。基站与车辆间的通信链路包含一条视距径及K-1条非视距径，如图1所示。图1: 仿真场景
在第n个时隙，基站端从车辆和K-1个散射体接收到的回波信号模型可以表示：![]()
二、毫米波频段下V2I网络的帧结构及案例分析
本节中，我们将介绍5G NR毫米波频段下传统通信和基于ISAC的帧结构，并对NR波束管理中的三个重要阶段进行案例研究，以分析V2I网络中感知辅助通信的优势。2.1 初始接入（Initial Access, IA）- 波束扫描：默认周期为20毫秒，通常在前5毫秒内发射多至64个波束赋形的SSB（时钟同步信号块）波束以扫描整个覆盖区域。
- 波束测量和决策：用户通过测量每个SSB波束的参考信号能量（SS-RSRP）以挑选最优波束。
- 波束上报：利用随机接入信道（RACH）上报最优SSB波束，用户在接收到随机接入回复（RAR）后完成初始接入。
基于传统通信的波束扫描过程需要将波束依次对准每个分区，这将导致初始接入存在时延。但利用ISAC信号的感知能力可以对车辆的运动进行实时监控，并在目标进入基站覆盖区域后立即启动同步跟踪。具体而言，当通信处于idle模式时，基站可以发射全向雷达信号探测是否存在新的目标进入覆盖区域。假设第i根天线，第m个子载波和第l个符号的信号为Yi,m,l，通过设定虚警率PFA，利用如下二元假设检验可以判断是否存在目标。一旦目标的角度和位置被检测，基站可以按照检测到的车辆位置发射波束赋形的SSB信号并等待回复以完成初始接入。与传统纯通信模式每周期进行波束扫描相比，利用感知能力能够更快地将波束赋形的SSB指向车辆的位置，从而加快IA阶段并提高整体系统效率。
图2: 基于纯通信系统与所提出的基于ISAC系统的初始接入帧结构对比
2.2 连接模式（Connected Mode）
终端在完成IA过程后与基站建立并保持连接，这种状态通常称为连接模式。连接模式下，终端仍需通过周期性发射SSB信号与基站保持时钟同步，同时在下行共享信道（PDSCH）中周期性发射参考信号（如解调参考信号DMRS，信道状态信息参考信号CSI-RS和相位跟踪参考信号PTRS等）。本文中考虑子载波间隔为120kHz的单层单用户MIMO V2I网络，其中SSB信号周期为20毫秒，每周期包含8个SSB波束。具体采用NR常用的帧结构‘DDDSU’，其中‘D','S','U'分别为下行时隙，特殊时隙和上行时隙。由于V2I网络中车辆的高移动性，我们考虑PDSCH中DMRS的嵌入形式为“Type A” 并且增加了一组DMRS，CSI-RS周期为5个时隙并在每个周期中占用32个资源单元（RE），CSI-RS的上行反馈报告将包含如RI，PMI等参数，用于信道估计、波束精细化和波束切换等。具体帧结构如图3所示。
图3: 基于纯通信系统与所提出的基于ISAC系统在连接模式下帧结构对比
频繁的波束训练和参考信号的传输可以被认为是通信系统中的开销，而ISAC系统则可以利用回波中包含的车辆的角度、距离和速度信息并利用如扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter)等算法对车辆进行跟踪和定位，从而减少SSB导频信号的发射和并取消CSI-RS的传输及其上行预编码矩阵等反馈。也就是说在ISAC系统内SSB只具有时钟同步功能，原本CSI-RS占用的RE现在可以被实际下行数据取代。首先，在传统纯通信框架中每20毫秒分配4个专用时隙用于波束训练和同步；然而在ISAC系统中，这可以减少到只有一个时隙且只具有时钟同步的目的。因此，波束训练产生的开销和时间消耗减少了75%。其次，DMRS和CSI-RS在一个周期内分别占用42和32个RE。通过消除ISAC帧结构中的CSI-RS传输，我们实现了总体时频资源开销减少32/(42 + 32)= 43.24%。2.3 波束失败与恢复（Beam Failure and Recovery）
5G NR中波束失败与恢复可以总结为以下两个步骤：
- 波束失败检测：终端通过物理层RSRP低于阈值来触发波束失败指示（Beam Failure Instance, BFI)，MAC层在收到第一个BFI开始计时，在计时器结束之前如果BFI数量达到阈值则触发波束失败。
- 波束恢复：检测到波束失败后，用户根据物理层RSRP识别超过指定恢复阈值的候选波束，并使用随机接入信道等待RAR以完成波束恢复。
然而传统通信参考信号CSI-RS和导频信号SSB的周期性发射会导致利用RSRP来检测波束失败存在一定时延。为解决这一问题，我们提出利用感知功能监测目标运动参数来检测波束失败，具体而言，当距离和速度等参数突变并持续一定时间，则意味着终端与基站间存在障碍物并导致波束失败。我们提出两种波束恢复方法，为了保证信道质量，可以切换至sub-6G频段，或可以通过分析上行到达角利用信道互易性对非视距径角度进行波束赋形以保证高数据率。图4: 基于纯通信系统与所提出的基于ISAC系统在波束失败诊断和恢复的对比
三、链路级仿真
本文仿真场景如图1所示，车辆沿着楼群中的直线道路行驶，仿真时间为4秒钟，包含32000个时隙。图5: 纯通信系统和所提出的基于ISAC系统在初始接入模式下的RMSE对比图5展示了基于纯通信系统和基于ISAC系统在初始接入时的RMSE对比，可以看出，与传统通信依赖于码本网格内预定义的角度传输SSB波束相比，ISAC可以利用感知性能判断是否存在目标进入检测区域并对其进行检测。这种由ISAC系统额外提供的终端运动参数信息不仅有助于加快初始接入与时钟同步进程，同时也提高了依赖于码本角度的RMSE。
图6: 纯通信系统和所提出的基于ISAC系统在连接模式下的吞吐量对比图6展示了在不同收发天线数情况下基于纯通信和基于ISAC系统的吞吐量对比，与纯通信系统相比，ISAC系统在吞吐量方面有显著的提高。这是由于减少了部分由SSB波束训练导致的开销，消除了CSI-RS参考信号的使用，以及由精准波束跟踪带来的在误码率方面的提升。
图7: 纯通信系统和所提出的基于ISAC系统在波束失败和恢复下的吞吐量对比
图7展示了在波束失败和恢复下两种方案关于误码率和吞吐量的对比，结果显示传统纯通信系统需要花费大概5毫秒检测到波束中断而ISAC系统则大概仅需其一半时间。在波束恢复阶段当ISAC系统选择切换到sub-6G频段时，这将导致误码率恢复但由于其帧结构的改变将导致系统吞吐量降低。ISAC系统对波束恢复提供的第二种方案利用可用的非视距径波束赋形，与纯通信重新做波束训练恢复连接相比在误码率和吞吐量方面均有提升。四、总结与展望
本文对NR体制下V2I网络中三个重要阶段的帧结构及协议进行分析与探究。通过有效地利用ISAC系统的感知能力和跟踪算法，最大限度地减少了导频信号和参考信号的使用，提高了定位、跟踪和通信的性能。同时所提出的帧结构及协议能快速判断波束失败并在短时间内恢复连接以保持较高的通信质量。
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