全息通信感知一体化

写在前面：本期推送是IEEE JSAC通感一体专题计划的第三篇，介绍近期在IEEE JSAC发表的论文“Holographic Integrated Sensing and Communication”^[1]。该论文提出了一个基于新型全息天线的波束赋形方法来提升通感一体化系统的性能。作者如下：

张浩波，北京大学

张泓亮，美国普林斯顿大学

邸博雅，北京大学

Marco Di Renzo，法国巴黎-萨克雷大学

Zhu Han，美国休斯顿大学

H. Vincent Poor，美国普林斯顿大学

宋令阳，北京大学

本文下载地址：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9724245

一、背景介绍

随着通信对频谱资源需求的不断提升，有限的频谱资源正在变得越来越稀缺，对通信等领域的发展造成了压力。这推动了对通信感知一体化（integrated sensing and communication, ISAC）的研究。ISAC将雷达感知和通信功能集成到同一硬件上，并共享雷达和通信频段，可以实现通信带宽的扩展和频谱利用效率的提升。

现有的通感一体化系统可以分为单天线^[2]和多天线^[3]这两类系统。与单天线系统相比，多天线系统具有分集增益，波形多样性等优势，可以满足更严格的感知和通信指标要求，因此引发了学术界和工业界的广泛关注。

多天线系统的性能与天线单元的数量正相关。然而，由于硬件制造的困难以及耦合效应的影响，天线阵中天线间距一般为半波长。这限制了一定天线阵尺寸下天线单元的数量，从而约束了天线阵的增益和多天线ISAC系统的性能。

近来，作为一种可以突破半波长限制的新型超材料天线，可重构全息表面（reconfigurable holographic surface, RHS）得到了长足发展。由于RHS中超材料辐射单元的独特结构，单元尺寸和间距可以远小于半波长，这意味着更强的波束调节能力。另外，由于不需要复杂的相移器，RHS还具有低成本低能耗的优势。现如今，RHS已经被应用于无线通信^[4],[5]和成像^[6]等领域，具有出巨大的应用潜力。

需要强调的是，RHS和可重构智能表面（reconfigurable intelligent surface, RIS）有很大不同^[7]。具体来说，RHS是一种可以收发信号的超薄天线，它以调幅的方式控制波束。而RIS不能收发信号，只能反射来自外部天线的信号，并通过调节相位实现波束控制。

接下来，我们会设计基于RHS的全息通感一体化系统和方法，并探究其性能表现。具体而言，在第2部分，我们将简单介绍RHS。在第3部分，我们会设计全息波束赋形方法来同时实现通信和感知功能。为了应对RHS特殊的幅度调控结构带来的挑战，在第4部分，我们会构建全息通感一体化的优化问题并给出相应的算法思路。在第5部分，我们会给出仿真结果来验证全息波束赋形方法的有效性。最后在第6部分做出总结。

二、可重构全息表面

RHS是一种具有波束调控能力的平面漏波天线^[8]。如图1所示，它包含K馈源，一个波导，以及M个可重构超材料辐射单元。馈源镶嵌于RHS上，并且每个馈源会单独连接一个独立的射频链路。

图1  RHS正视图

RHS的工作原理如图2所示。首先，馈源会向波导中馈入电磁波，也称参考波。参考波在波导中传播，并激励不同的单元向外辐射出信号。所有单元向外辐射信号叠加就形成了RHS的波束。通过独立调控每个单元向外辐射信号的幅度，我们就可以改变RHS生成的波束。这一过程可以被视为一种基于幅度调控的模拟波束赋形。

图2  RHS右视图

得益于超材料的特性，RHS单元可以小于半波长。在同样的天线孔径下，RHS有比相控阵更多的辐射单元，因此对波束调控能力会更强，增益也会更高。另外，由于RHS是通过改变超材料单元辐射信号的幅度实现波束控制，所以不需要昂贵的相移器。与相控阵相比，RHS的成本会更低，功耗也更小。

三、全息波束赋形方法

（1）场景描述

图3  全息通感一体化系统图

如图3所示，我们考虑一个包含L个用户，多个雷达目标和一个基站的通感一体化系统，其中基站具有一个RHS和一个MIMO天线阵。该系统的工作流程如下：

优化：基站通过优化ISAC信号和其他参数来最大化雷达性能，同时保证通信用户的服务质量。

传输：RHS发送ISAC信号用来探测不同方向的目标并服务多用户。

接收：通信用户接收来自RHS的信号并解调出信息。同时，基站的MIMO天线阵会接收雷达回波信号以实现对目标的感知。

由于篇幅所限，这里我们重点关注系统的优化。

（2）全息波束赋形

图4  全息波束赋形方法

全息波束赋形方法的框图如图4所示。该方法包含两部分，即基站处的数字波束赋形和RHS处的模拟波束赋形。具体来说，在基站处有L个数据流需要传给L个用户。同时为了充分利用K个射频链路带来的自由度，基站也会生成K个正交的雷达波形。这些数据流和雷达波形会经过数字波束赋形进行处理，并传送给K个射频链路。射频链路会将信号传递给RHS，之后通过模拟波束赋形来生成期望的ISAC信号。

四、全息通感一体化优化问题

根据优化的目标，通感一体化问题可以分为以雷达为中心（radar-centric）,以通信为中心（communication-centric）以及联合加权（joint design）这三类。这里我们考虑一个以雷达为中心的波束赋形问题。

具体而言，我们的目标是在给定通信质量约束和功率约束的前提下，通过设计波束赋形矩阵来实现雷达性能的最优化。我们用雷达效用δ[1]来描述雷达性能。这样，优化问题可以写作

其中B表示数字波束赋形矩阵，ψ表示模拟波束赋形矩阵，γl示用户l的信干噪比，Γl表示用户l的信干噪比阈值，x表示发射信号，PM表示最大发射功率，ψm表示第m个辐射单元的幅度值，Cs是每个单元可调的幅度值的个数。

该问题可以通过迭代优化的方式求解。在每个迭代周期，我们先固定模拟波束赋形矩阵ψ，只优化数字波束赋形矩阵B。接下来，我们令B取上一步优化后的结果，然后优化模拟波束赋形矩阵ψ。当雷达效用δ在连续的两次迭代周期不再增加时，迭代终止，此时就确定了B和ψ的取值。

五、仿真结果

图5展示的是最大方向图增益和天线孔径关系的仿真结果。其中蓝色，红色和黄色分别表示算法优化后的RHS增益，RHS增益的理论下界，以及MIMO天线阵的增益。可以看出，增益随着天线孔径的增长而增长。另外，当天线孔径相同时，RHS的增益更大，这表明了全息波束赋形在提升天线增益方面的优越性。

图5  最大方向图增益和天线孔径的关系图

图6给出了雷达效用和信干噪比阈值的关系图。我们可以观察到随着信干噪比阈值的增加，雷达效用不断下降，这体现了感知和通信功能之间的折衷。另外，雷达效用还会随着馈源个数的增加而增加。这是因为馈源个数越多，数字波束赋形的自由度就越高，因而对通信和感知性能的提升也就越大。

图6  雷达效用和信干噪比阈值的关系图

六、总结

RHS是一种具有精细的波束指向能力和较低功耗成本的新型天线。我们提出了一个基于RHS的通感一体化系统，并设计了全息波束赋形方法来实现通信和感知功能的融合。为了提升系统性能，我们构建了全息通感一体化的优化问题，即在满足一定的通信信干噪比约束的条件下最大化雷达效用。为了解决这一问题，我们还给出了相应的波束赋形矩阵优化算法。仿真结果证明了相比于传统MIMO天线阵，RHS可以有效提升天线增益。除此之外，仿真结果还验证了可以通过增加RHS孔径或馈源数量来改善通信感知性能。

参考文献

[1] H. Zhang, H. Zhang, B. Di, M. Di Renzo, Z. Han, H. V. Poor, and L. Song, “Holographic integrated sensing and communication,” J. Sel. Areas Commun., pp.1-1, Mar. 2022.

[2] L. Zheng, M. Lops, Y. C. Eldar, and X. Wang, “Radar and communication co-existence: An overview,” IEEE Signal Process., vol.36, no.5, pp. 85–89, Sept. 2019.

[3] F.Liu, L. Zhou, C. Masouros, A. Li, W. Luo, and A. Petropulu, “Towarddual-functional radar-communication systems: Optimal waveform design,” IEEETrans. Signal Process., vol.66, no.16, pp. 4264–4279, Aug. 2018.

[4] R.Deng, B. Di, H. Zhang, Y. Tan, and L. Song, “Reconfigurable holographicsurface: Holographic beamforming for metasurface-aided wirelesscommunications,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol.70, no.6, pp. 6255–6259, June2021..

[5] B.Di, “Reconfigurable holographic metasurface aided wideband OFDM communications against beam squint,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol.70, no.5, pp. 5099–5103,May 2021.

[6] J.Hunt, J. Gollub, T. Driscoll, G. Lipworth, A. Mrozack, M. S. Reynolds, D. J.Brady, and D. R. Smith, “Metamaterial microwave holographic imaging system,”JOSA A, vol.31, no.10, pp. 2109–2119, Oct. 2014.

[7] R.Deng, B. Di, H. Zhang, D. Niyato, Z. Han, H. V. Poor, and L. Song,“Reconfigurable Holographic Surfaces for Future Wireless Communications,” IEEEWirel. Commun., vol.28, no.6, pp. 126–131, Dec. 2021.

[8] D.R. Smith, O. Yurduseven, L. P. Mancera, P. Bowen, and N. B. Kundtz, “Analysisof a wave guide-fed metasurface antenna,” Physical Rev. Applied, vol.8, no.5,p. 054048, Nov. 2017.

ISAC通信感知一体化公众号简介 

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。

ISAC通信感知一体化公众号组委会：

刘凡，南方科技大学

韩霄，华为技术有限公司

崔原豪，北京邮电大学

许杰，香港中文大学（深圳）