寫在前面：本期推送是IEEE JSAC通感一體專題計(jì)劃的第十一篇，介紹近期在IEEE JSAC發(fā)表的論文“Target Sensing with Intelligent Reflecting Surface: Architecture and Performance”的文章，研究者基于智能反射面構(gòu)建了一種新型的“自感知框架”，開辟了一個(gè)全新的“高精度近距離”感知體系，有望為6G通信感知一體化賦能。

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一、幾種感知系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基本原理和局限性

6G網(wǎng)絡(luò)將具備感知功能，可以為通信對(duì)象提供有源定位服務(wù)（類似5G），也可以為非通信對(duì)象提供無源定位服務(wù)（類似雷達(dá)）。感知為全球移動(dòng)通信的研究和討論增加了新的性能維度，包括距離、速度和角度的感知分辨率和感知精度。未來，定位應(yīng)用需要高感知精度和高分辨率。具體而言，高精度定位將精確至厘米級(jí)，可在網(wǎng)絡(luò)信息和實(shí)體位置之間建立必要的關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步在工廠、醫(yī)院、農(nóng)業(yè)等各行業(yè)使能不同的應(yīng)用。下面介紹幾種感知系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基本原理和局限性。

• 單靜態(tài)感知系統(tǒng)(Mono-static BS sensing system)

在單靜態(tài)感知系統(tǒng)中，發(fā)射和接收天線均位于基站(BS)，或者基站天線陣列以全雙工的方式發(fā)送/接收雷達(dá)探測信號(hào)，如圖1所示，基站發(fā)射并且接收目標(biāo)反射的回波信號(hào)。由于發(fā)射端和接收端有相同的方向角, 并且基站目標(biāo)的距離等于目標(biāo)基站的距離，此系統(tǒng)估計(jì)參數(shù)量較少。然而，基站接收陣列信號(hào)可能會(huì)受到來自其發(fā)射信號(hào)的不可忽略的干擾。此外，由于雙重的路徑衰減和阻礙物的遮擋，基站的定位性能是隨著目標(biāo)距離的增加而急劇惡化的。

圖1：單靜態(tài)感知系統(tǒng)(BTB scheme)

• 雙靜態(tài)感知系統(tǒng) (Bi-static sensing system)

在雙靜態(tài)感知系統(tǒng)中，發(fā)射和接收天線陣列被放置在不同的BS和/或移動(dòng)設(shè)備上，如圖2所示，基站發(fā)射的信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射，最后由傳感器接收。那么當(dāng)感知目標(biāo)距離發(fā)射端/接收端較近時(shí)，雙靜態(tài)感知系統(tǒng)的路徑損耗較小，而且抗干擾性強(qiáng)，因此它有可能比單靜態(tài)感知系統(tǒng)達(dá)到更高的感知性能。但是由于 BS→目標(biāo)和目標(biāo)→設(shè)備鏈路上的到達(dá)角(DOA)和距離不同，雙靜態(tài)感知系統(tǒng)通常需要估計(jì)更多的參數(shù)以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。

圖2：雙靜態(tài)感知系統(tǒng)(BTS scheme)

• 全無源IRS 輔助的感知系統(tǒng)(Fully-passive IRS aided sensing system)

智能反射面（Intelligent Reflecting Surface）由數(shù)字平臺(tái)控制，通過特別設(shè)計(jì)的電磁散射體處理入射電磁波，以產(chǎn)生特定輸出。電磁散射體可以調(diào)整入射波的相位和/或振幅，進(jìn)而完成波束賦形和波束控制。當(dāng)目標(biāo)和基站之間的直達(dá)鏈路被阻擋時(shí)，全無源 IRS 輔助感知系統(tǒng)中的 IRS可以用來幫助目標(biāo)定位，如圖3所示, 基站發(fā)射的信號(hào)依次經(jīng)過IRS、目標(biāo)和IRS反射，最后由基站接收。然而，此系統(tǒng)的信號(hào)傳播會(huì)在四跳信號(hào)反射中遭受嚴(yán)重的路徑損耗，即BS→IRS→目標(biāo)→IRS→BS，從而降低了目標(biāo)定位的性能。

圖3：全無源 IRS 輔助的感知系統(tǒng)(BITIB scheme)

• 半無源 IRS 輔助的感知系統(tǒng) (Semi-passive IRS aided sensing system)

在半無源 IRS 輔助的感知系統(tǒng)中，IRS 配備專用（低成本）傳感器來接收信號(hào)，以促進(jìn)通信中的信道估計(jì)以及目標(biāo)定位，如圖4所示，基站發(fā)射的信號(hào)依次經(jīng)過IRS和目標(biāo)反射，最后由IRS傳感器接收。盡管如此，由于兩跳信號(hào)反射的高路徑損耗，即BS→IRS→目標(biāo)→傳感器，定位性能仍然受到傳感器的接收信噪比的限制。

圖4：半無源 IRS 輔助的感知系統(tǒng)(BITS scheme)

• 移動(dòng)用戶輔助的感知系統(tǒng)( Mobile-user aided scheme)

移動(dòng)用戶輔助的感知系統(tǒng)需要用目標(biāo)附近的移動(dòng)用戶發(fā)送探測信號(hào)，由安裝在IRS上的傳感器來接收信號(hào)，如圖5所示。我們知道，當(dāng)移動(dòng)設(shè)備處于 IRS 或目標(biāo)附近時(shí)，DOA 估計(jì)的均方誤差（MSE）可以達(dá)到最小化。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于移動(dòng)用戶的位置是隨機(jī)的，移動(dòng)用戶輔助的感知系統(tǒng)的定位精度無法得到保證。

圖5：移動(dòng)用戶輔助的感知系統(tǒng)(MUS scheme)

二、現(xiàn)有感知系統(tǒng)存在的問題

通過以上總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的幾種典型的雷達(dá)系統(tǒng)以及其他利用IRS進(jìn)行感知的方案存在以下兩大問題和挑戰(zhàn)：

1. 現(xiàn)有感知系統(tǒng)由基站發(fā)射信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)傳輸路徑過長，路徑損耗大，使得感知精度嚴(yán)重受限。

2. 由于通感一體化中感知環(huán)境趨于復(fù)雜化，感知信號(hào)容易被障礙物所遮擋阻斷，使得感知性能下降。

三、智能反射面自感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了解決上述挑戰(zhàn)，本文研究了IRS 在無線網(wǎng)絡(luò)感知/定位目標(biāo)中的新應(yīng)用。具體來說，本文提出了一種新的IRS自感知架構(gòu)，如圖6所示。這里 IRS 控制器（IRS controller）能夠發(fā)送探測信號(hào)，這些探測信號(hào)不僅被目標(biāo)直接反射（稱為直接回波鏈路），而且可以連續(xù)被 IRS 和目標(biāo)反射（稱為 IRS反射回波鏈路）。此外，IRS上安裝了專用傳感器，用于接收直接回波鏈路和IRS反射回波鏈路的信號(hào)，這樣 IRS 就可以感知到其附近目標(biāo)的方向。

圖6：提出的IRS自感知系統(tǒng)(IRS self-sensing system)

本文用θ表示從IRS到目標(biāo)的離開角（AoD），φ[t]表示每個(gè)快照 t 處的 IRS 反射矢量，b(θ)表示從目標(biāo)到 IRS 傳感器的接收響應(yīng)向量，q(θ)表示從IRS到目標(biāo)的發(fā)送響應(yīng)向量，z[t]表示加性高斯白噪聲，α_d表示關(guān)于直接回波鏈路的反射路徑增益，α_r表示關(guān)于IRS反射回波鏈路的反射路徑增益, η_r為垂直角度方向增益。那么，IRS 傳感器在快照t接收到的信號(hào)為

基于以上公式，我們可以使用 MUSIC 算法從y[t], t=1, ..., T中估計(jì)出目標(biāo)的 DOA（即θ）。

IRS相位設(shè)計(jì)可以補(bǔ)償無線信號(hào)傳播過程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等因素引入的信號(hào)衰落與失真，增強(qiáng)IRS反射回波鏈路的反射路徑增益。我們知道，DOA估計(jì)的MSE 會(huì)隨著傳感器處的平均接收信號(hào)功率的增加而減小。那么，以平均接收信號(hào)功率為中心的IRS 相位設(shè)計(jì)優(yōu)化問題可以描述為

這里，，M表示傳感器的數(shù)目，N為IRS反射單元數(shù)目。DFT相位矩陣是問題（P1）最優(yōu)的解。這意味著最佳無源相位矩陣在角度范圍內(nèi)將生成全向波束，以便于在所有可能的方向上掃描目標(biāo)。這和我們所預(yù)期的相符，因?yàn)楫?dāng)目標(biāo)的位置未知時(shí)，全向 IRS 波束是IRS 反射回波鏈路定位目標(biāo)時(shí)最佳的設(shè)置。而直接回波鏈路和IRS 反射回波鏈路之間產(chǎn)生的隨機(jī)相位差信號(hào)并不影響平均估計(jì)性能。因此，本文所提出的 IRS自感知方案利用 IRS 無源波束形成增益和直接回波鏈路增益來共同進(jìn)行目標(biāo) DOA 估計(jì)，這在實(shí)際應(yīng)用中很有吸引力。

四、仿真結(jié)果

考慮如下的仿真場景：IRS有64個(gè)反射單元和8個(gè)傳感器，探測目標(biāo)距離IRS 30米，方位角60°，基站距離IRS 100米，方位角80°。

圖7：仿真場景設(shè)置

對(duì)比方案本文采用小節(jié)一中所介紹的幾種典型的雷達(dá)系統(tǒng)以及其他利用IRS進(jìn)行感知的方案，即BTB、BTS、BITIB、BITS和MU方案。本文考慮兩個(gè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：到達(dá)角估計(jì)均方根誤差（RMSE）和檢測成功率。仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。從這兩個(gè)圖中可以看出，無論發(fā)射功率為何值，本文提出的方案均可以達(dá)到最小的DOA估計(jì)誤差和最高的檢測成功率。這是因?yàn)椋疚乃岢龅腎RS自感知方案中的IRS放置在目標(biāo)附近，而且其控制器和傳感器分別用于發(fā)送和接收信號(hào)。因此，信號(hào)從發(fā)射器到目標(biāo)再到接收器的傳播距離比對(duì)比方案BTB、BTS、BITIB、BITS短得多，則路徑損耗也小得多。而且本文所提方案可以通過直接回波鏈路和IRS 反射回波鏈路同時(shí)接收信號(hào)。因此，本文所提出的IRS自感知方案既利用IRS 無源波束賦形增益，也利用了直接回波鏈路增益。此外，與MUS 方案相比，本文所提出的方案也大大提高了RMSE 性能和檢測成功率，這是因?yàn)镸US方案不能保證在IRS/目標(biāo)附近總是存在一個(gè)有幫助的設(shè)備，即此設(shè)備有可能游動(dòng)范圍過大導(dǎo)致目標(biāo)定位性能損耗。

圖8：到達(dá)角估計(jì)的均方根誤差隨發(fā)射功率的變化

圖9：檢測成功率隨發(fā)射功率的變化

五、結(jié)語

本文提出了一種新的IRS自感知系統(tǒng)，其中IRS控制器用于傳輸探測信號(hào)，而專用傳感器安裝在IRS上，傳感器根據(jù)直接回波鏈路信號(hào)和IRS反射回波鏈路信號(hào)完成目標(biāo)定位。本文利用MUSIC算法以超高感知精度估計(jì)出了目標(biāo)的DOA信息，而且本文所提出的系統(tǒng)無需BS或任何移動(dòng)設(shè)備的輔助。接著，我們推導(dǎo)出本方案角度估計(jì)MSE的Cramer-Rao 界限 (CRB)，為系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了理論支撐和保障。IRS自感知系統(tǒng)從根本上解決了現(xiàn)有感知系統(tǒng)中信號(hào)傳輸路徑過長、路徑損耗大和感知信號(hào)容易被障礙物所遮擋阻斷而導(dǎo)致的感知精度受限的問題。

 ISAC通信感知一體化公眾號(hào)簡介 

ISAC通信感知一體化公眾號(hào)由IEEE通信學(xué)會(huì)通信感知一體化新興技術(shù)倡議委員會(huì)(ISAC-ETI)成立，由ISAC-ETI Online Content Working Group (WG4) 負(fù)責(zé)維護(hù)并運(yùn)行。

ISAC通信感知一體化公眾號(hào)組委會(huì)：

劉凡，南方科技大學(xué)

韓霄，華為技術(shù)有限公司

崔原豪，北京郵電大學(xué)

許杰，香港中文大學(xué)（深圳）