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多用户MIMO联合通信与感知的预编码设计

摘要

本文研究多用户（MU）多输入多输出（MIMO）联合通信与感知（JCAS）系统的预编码设计问题，同时考虑了感知与通信信道之间的潜在干扰。针对通用输入信号，我们推导了感知和通信的性能指标，即检测概率与通信信干噪比（SINR）。研究结果表明，当信道发生干扰时，利用通信信号进行感知可避免通信性能损失，而通信信号发射字母表的峰度会对感知性能形成限制。本文还给出了不同示例配置下的仿真结果。

引言

多输入多输出（MIMO）系统是现代无线通信的基础，在高频段中，该技术可通过波束成形对增加的路径损耗进行部分补偿。MIMO能够实现空间复用，即利用空间分集同时传输多个数据流，以此提升频谱效率。与此同时，联合通信与感知（JCAS）因具备支撑各类新功能的潜力（如对路口车辆进行碰撞风险预警）受到了广泛关注。在JCAS系统中，感知精度与可用带宽密切相关，这也使得高频段成为感知应用的研究方向。

JCAS的核心挑战在于设计能同时有效支撑通信和感知的发射信号。已有部分研究提出了多用户MIMO JCAS系统的预编码算法，但发射信号设计仍是该领域的研究热点。部分研究采用相位调制的通信信号照射感知目标，该方式能在单输入单输出系统中实现目标检测的最大信噪比（SNR）。但传统通信系统为提升吞吐量，通常采用高阶正交振幅调制（QAM）格式，这会导致感知性能下降。为实现通信与感知性能的灵活权衡，有研究提出将星座成形技术应用于JCAS系统。

现有多项研究探讨了MIMO系统中JCAS的性能权衡问题，但这些研究多聚焦于旁瓣电平、图像信干噪比等与平均检测概率或参数估计克拉美-罗界相关的性能指标。此外，这类研究中通信信号流均采用相同的星座格式，且感知仅通过通信信号或专用感知信号实现。本文对现有研究成果和方法进行了补充，允许通信信号采用不同的星座格式，并直接对检测率进行优化。

本文详细分析了联合信令或专用信令用于感知的优劣，探究了不同应用场景，推导得到功率检测器的目标检测率和通信信干噪比两类性能指标，最后还研究了感知信号产生的干扰对通信系统的影响。

方法简介

1. 构建系统模型：建立单载波单站多用户MIMO JCAS系统模型，基站处共置发射端与感知接收端，配备半波长天线间距的均匀线性阵列，同时实现单目标感知检测和与多单天线用户的空间复用通信；分别对发射端、通信信道（瑞利衰落）、感知信道（Swerling 1模型）、通信接收端（MMSE均衡、LLR输出）、感知接收端进行建模，感知接收端基于奈曼-皮尔逊准则设计恒虚警功率检测器，实现目标检测。

2. 推导性能指标：针对感知性能，通过矩生成函数、特征值分解等方法推导检测概率的闭式表达式，分析得出检测概率由发射信号组合的峰度决定，最小化峰度可最大化检测概率，且最优策略为仅用峰度最低的信号照射感知目标；针对通信性能，推导通信信干噪比公式，分析发现将通信信号复用为感知信号时，感知目标带来的干扰虽存在相位随机性，但平均而言会提升通信信干噪比。

3. 设计仿真方案：采用融合神经网络的自编码器框架实现预编码和解调，通过权重参数调控感知任务在总损失中的占比，设计包含通信损失和检测损失的联合损失函数；为促使算法收敛到检测概率的全局最优，将预编码矩阵初始化为峰度最大值的状态；设置双用户、特定感知角度范围、16根天线的均匀线性阵列等仿真参数，对比专用恒模感知信号、16-QAM通信信号、恒模信号与通信信号结合三种感知方案的性能。
   

结论

本文基于感知与通信信道间的干扰特性，为MIMO JCAS系统的发射信号设计提供了设计指导。可将感知感兴趣区域划分为对通信用户产生干扰和无干扰的两类区域，并采取差异化的处理策略：无干扰时，采用恒模信号进行感知能实现最优的目标检测效果，且不会对通信性能产生影响；存在干扰时，系统需进行性能权衡，利用通信信号开展感知有助于提升通信性能，但感知性能会受所用通信信号峰度的限制；不建议采用两种及以上不同信号的组合进行感知，该方式的目标检测效果要劣于单信号感知方案。本文的研究结果也验证了通信发射信号的峰度作为JCAS系统核心性能权衡参数的结论，与现有研究保持一致。