写在前面：本期推送是IEEE JSAC通感一体专题计划的第十二篇，介绍近期在IEEE JSAC发表的论文“Waveform Design and Performance Analysis for Full-Duplex Integrated Sensing and Communication”。本文提出了一种新型的面向全双工(full-duplex, FD) ISAC的波形设计方法，即FD-ISAC。该方法充分挖掘雷达信号优异的自相关特性和通信信号的高频谱效率特性，利用传统脉冲雷达的回波等待时间发送通信信号，可以在保证感知精度的同时，提高感知目标的检测概率和系统的通信速率。
肖志强① 曾勇①
①(东南大学)
Citation: Z. Xiao and Y. Zeng,'Waveform Design and Performance Analysis for Full-Duplex Integrated Sensing and Communication,' IEEE J. Sel. Areas Commun., doi: 10.1109/JSAC.2022.3155509.
通信感知一体化(Integrated sensing and communication, ISAC)作为一个新兴的研究方向, 近年来引起了广泛的兴趣。一方面，ISAC可以更加有效地利用无线系统的频谱和硬件等资源，同时达到通信和感知的目的。另一方面，ISAC有望实现通信和感知二者之间的互惠增强，即利用感知信息进一步提升通信性能，或利用先进通信技术增强感知性能。因此，ISAC有望成为实现6G泛在无线智能愿景的重要方法，使物理世界和数字世界的无缝连接成为可能。对于ISAC研究，其中一个关键问题是设计适合的波形，以保障ISAC在通信和感知方面的性能。目前，ISAC波形的设计理念主要分为以雷达为中心(radar-centric)或以通信为中心(communication-centric)。然而，以雷达为中心的波形设计方法面临着通信速率较低的问题，而以通信为中心的方法由于通信符号具有随机性，带来了高峰均比（Peak-to-average-power ratio, PAPR）、随机自相关特性等问题。因此，本文提出了一种新型的面向全双工(full-duplex, FD) ISAC的波形设计方法，即FD-ISAC。该方法充分挖掘雷达信号优异的自相关特性和通信信号的高频谱效率特性，利用传统脉冲雷达的回波等待时间发送通信信号，可以在保证感知精度的同时，提高感知目标的检测概率和系统的通信速率。
如图1所示，本文考虑一个单站ISAC系统，由一个FD-ISAC节点发送信号，并接收目标回波，从而实现在感知目标的同时向通信用户发送信息。FD-ISAC节点有两个分离的发送和接收天线，以有效抑制自干扰(self-interference,SI)的影响。本文假设通信接收机的雷达截面积(radar cross section, RCS)远小于感知目标的雷达截面积，故其产生的回波可以忽略不计。FD-ISAC节点在一个雷达相干处理间隔(coherent processing interval, CPI)内接收到的信号可以表示为
其中α为包含目标RCS影响的信道系数，x(t)为FD-ISAC节点发送的信号，τ为回波信号的时延，fd表示由于目标移动导致的回波多普勒频率偏移，β表示SI链路的信道系数，n(t)表示加性高斯白噪声。此外，T表示一个脉冲重复间隔(pulse repetition interval, PRI)，K为一个CPI内的PRI数目。在上述模型中，SI链路的传播延迟被忽略，因为它通常非常小，或者可以离线估计并进行适当补偿。对于一个雷达CPI内，发送信号的一般形式可以表示为
其中xk(t)表示第k个PRI内发送的信号，其带宽为B。通常情况下，T>>1/B。
图1. 单站FD-ISAC模型
对于基于脉冲雷达波形的ISAC设计，为了在不影响其感知性能的前提下，实现额外的通信功能，一般将通信符号嵌入到雷达脉冲中。例如，一种典型的方式是在雷达慢时间(slow-time)尺度上用相移键控(phase-shift keying, PSK)调制雷达脉冲，即跨PRI调制，则每个PRI内发送的信号可以表示为
其中Pr表示雷达发送功率，ωk为嵌入的M-PSK符号，p(t)为雷达脉冲信号，其带宽为B。发送信号的占空比(duty cycle)为ρ=Tp/T。对于连续波雷达，例如频率调制连续波(frequency-modulated continuous waveform, FMCW)可以看作是上式在ρ = 1时的特例。
图2. 传统半双工脉冲雷达波形
对于单站感知场景，连续波雷达存在严重的自干扰问题。一般来说，为了降低自干扰的影响，连续波雷达通常需要降低发送信号功率，因此严重限制了其感知距离，仅适用于近距离感知。另一方面，对于传统单站脉冲雷达，其通常以半双工(half-duplex, HD)方式工作，即单站雷达在脉冲发送和回波接收之间交替，在脉冲发送时，雷达接收机关闭，以避免自干扰。假设发送信号的持续时间Tp足够短，而感知目标距离足够远，因此对于每个PRI，目标回波总是在雷达脉冲发送完成后到达，不存在收发自干扰问题。然而，对于近距离感知，脉冲雷达存在严重的感知盲区。如图2所示，当雷达回波已经到达，而发送信号仍在发送，部分回波信号将不能被接收端所接收，因而造成接收信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)的降低和感知精度的下降。例如，考虑一个脉冲持续时间Tp为1微秒(microsecond)，其对应的感知盲区大概在150米以上，这对于传统的远程雷达感知应用是可以接受的，但难以适用于未来同时具有远距离和近距离目标的ISAC应用，如无人机蜂群或V2X网络。
另一方面，从通信的角度出发，虽然这种以雷达为中心嵌入通信符号的ISAC方式实现了信息传输，且不会造成雷达性能的损失，但其只能支持极低的通信速率。具体而言，对于M阶通信调制，其通信频谱效率仅为
这里BTp=N为雷达信号的时间带宽积(time-bandwidth product, TBP)，对于经过脉冲压缩后的雷达波形，如线性频率调制(linear frequency modulation, LFM)或相位编码(phased-coded)波形，有N>>1。这里对于雷达信号的脉冲压缩是必要的。对于一个未经脉冲压缩的雷达波形，其时间带宽积为BTp=1。感知距离精度通常与信号带宽成反比，而信号能量与持续时间成正比。对于未压缩的雷达波形，其在感知距离精度和能量上存在一个折中，而脉冲压缩能解决该问题。
图3. FD-ISAC波形
针对上述问题，本文提出了一种新型的面向全双工的ISAC波形，即FD-ISAC，如图3所示，每个PRI发送信号可以表示为
其中gk(t),0≤t≤T-Tp表示第k个PRI内发送的通信信号，Pc为通信信号发送功率。具体来说，与半双工脉冲雷达不同，FD-ISAC利用脉冲雷达的回波等待时间，发送通信信号，以充分利用整个PRI持续时间T来实现高速通信，而非仅仅是Tp内嵌入的通信符号。并且，由于全双工操作能够同时发送和接收，只要当自干扰能被适当抑制，通信回波也可以用于感知性能增强，并且近距离目标的回波也会被接收机收到，不存在近距离感知盲区。例如，如果嵌入雷达波形的通信符号与通信信号传输均采用M阶调制，则FD-ISAC的通信频谱效率为
此外，通信信号gk(t)还可以灵活设计，可以使用更有效的调制，如高阶正交幅度调制(quadrature amplitude modulation, QAM)，从而获得更高的通信频谱效率。如图4所示，本文对比了FD-ISAC和基于传统脉冲雷达ISAC在频谱效率和感知目标检测概率上的区别。如图4所示，当系统自干扰消除(self-interference cancellation,SIC)能力较强时，增大通信信号发送功率可以同时增加通信频谱效率和目标检测概率，而当系统SIC能力较弱时，增大通信信号发送功率以增大通信频谱效率与目标检测概率之间存在一个折中关系。
图4. 目标检测概率与通信频谱效率的关系
另一方面，与通信信号用于感知相比，FD-ISAC保留了脉冲雷达良好的自相关特性，可通过发送信号功率控制获得良好的感知性能。如图5所示，本文对比了传统脉冲雷达(HD LFM），单载波通信(SC-Commun.)和FD-ISAC的自相关函数，以评估其在距离上的感知性能。如图5所示，通信信号直接用于感知，由于通信符号的随机性，其自相关函数具有随机的峰旁比(peak-sidelobe ratio, PSR)，而FD-ISAC则可通过功率控制获得近乎传统脉冲雷达的感知特性。
图5. 自相关函数的对比
五、结语
本文提出了一种新型的面向单站全双工的ISAC波形设计方法，即FD-ISAC，其对传统脉冲雷达信号与通信信号进行了充分灵活的时间复用。与现有基于脉冲雷达嵌入通信符号的ISAC方法相比，FD-ISAC可以在进行有效自干扰抑制的前提下，显著提升系统的通信速率和目标检测概率。另一方面，与具有随机自相关特性的以通信为中心的ISAC方法相比，FD-ISAC保留了传统用于感知的脉冲雷达信号，因而具有更好的自相关特性。此外，由于全双工操作，FD-ISAC还可以缓解传统脉冲雷达中的盲区问题，使其能同时适用于远距离和近距离目标感知的ISAC应用。
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