基于NR的通信感知一体化系统级性能仿真评估.pdf

“6G通感算融合”专题1基于NR的通信感知一体化系统级性能仿真评估亢晨宇，姜宁，王梓赫（北京邮电大学网络与交换技术全国重点实验室，北京10 0 8 7 6）【摘要】通信感知一体化作为下一代无线通信的关键技术之一，将共享软硬件资源或信息，同时实现感知与通信双功能，满足多样化业务需求。目前，学术界和产业界已对通信感知一体化展开初步研究，但是其主要针对单个通信感知一体化基站的性能分析，没有考虑多小区间的干扰问题。因此，巫需针对现有研究进行系统级仿真性能评估，基于NR标准搭建系统级仿真平台，针对不同的时频域资源分配情况，分析OFDM一体化波形和OTFS一体化波形在通信感知一体化系统中的性能，并给出通信感知一体化网络的部署建议。【关键词】通感一体化；系统级仿真；波形；性能评估doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20240110-0002中图分类号：TN915.41文献标志码：A文章编号：10 0 6-10 10(2 0 2 4)0 3-0 0 54-0 7引用格式：亢晨宇,姜宁,王梓赫.基于NR的通信感知一体化系统级性能仿真评估.移动通信,2 0 2 4,48(3)：54-6 0.KANG Chenyu,JIANG Ning,WANG Zihe.Performance System Level Simulation and Evaluation of NR-Based Integrated Sensing andCommunication SystemsJJ.Mobile Communications,2024,48(3):54-60.Performance System Level Simulation and Evaluation of NR-Based Integrated(State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)AbstractAs a pivotal technique for the next generation of wireless communication,integrated sensing and communication(ISAC)leverages shared software and hardware resources or information to simultaneously achieve dualfunctionalities of sensing and communication,catering to a variety of service demands.While the academic andindustrial sectors have initiated preliminary research on ISAC,the focus predominantly lies on the performanceanalysis of individual ISAC base stations without addressing the interference issues prevalent across multiplecells.Consequently,there is an urgent need for a comprehensive system-level simulation performanceevaluation.A system-level simulation platform,constructed based on the NR standard,is proposed to analyzethe performance of integrated OFDM waveforms and OTFS waveforms in ISAC systems under various time-frequency domain resource allocation scenarios.This evaluation will offer insightful recommendations for thedeploymentofISACnetworks.Keywords integrated sensing and communication;system-level simulation;waveform;performance evaluationOSID:Sensing and Communication SystemsKANG Chenyu,JIANG Ning,WANG Zihe扫描二维码与作者交流0引言近年来，随着第五代移动通信系统（5G，5thGeneration Mobile Communication Technology）大规模商用，业界已经开启对第六代移动通信系统（6 G，6 t hGeneration Mobile Communication Technology）的研究。2 0 2 3年6 月，国际电信联盟无线通信部门（ITU-R，收稿日期：2 0 2 4-0 1-10*基金项目：国家重点研发计划“6 G通信-感知一计算融合网络架构及关键技术”（2 0 2 1YFB2900200）54移动通信2024年3月第3期Radio Communication Division of the InternationalTelecommunicationUnion）的5D工作组（WP5D,WorkingParty5D）完成了全球6 G建议书草案，其中，为了提高数据速率、区域流量容量和可靠性，将三大典型场景，分别是增强移动宽带（eMBB，En h a n c e d M o b ileBroadband）、超大规模连接（mMTC，M a s s iv e M a c h in eType Communication）、超可靠低时延通信（URLLC,UltraReliableLowLatencyCommunications）拓展为增强移动宽带、超大规模连接和超可靠低时延通信三大场景，并衍生出泛在连接、通信AI一体化和通信感知一体第48 卷总第52 3期亢晨宇，姜宁，王梓赫：基于NR的通信感知一体化系统级性能仿真评估化（简称通感一体化）三大场景，旨在增强覆盖范围并提供通信以外的服务。其中，通感一体化作为6 G的典型场景，将打破传统通信和感知“割立分治”的状态，突破二者的性能边界2 。近年来，学术界和产业界对通感一体化展开了初步探索。由于通信和感知使用相同的时频资源，相互之间将会产生干扰。为了缓解通信和感知由于资源争用造成的干扰，文献3 提出了一种基于时分双工的雷达通信一体化顿结构，在下行传输过程中生成雷达波形，在上行接收中进行雷达目标跟踪。文献4 提出了一种基于半双工的通感一体化顿结构，可以在三个离散符号持续时间内完成全局感知。文献5 提出了一种高频谱效率的帧结构，利用脉冲雷达的等待周期来执行无干扰的通信和感知。文献6 聚焦于通信感知一体化干扰管理技术，以实现通信与感知系统共享频谱资源，提升频谱利用率。文献7 提出一种基于环境信息感知辅助的通信资源调度方案，借助感知信息来辅助通信资源的预留与重选，从而提升传输可靠性。另一方面，由于通信波形和感知波形的设计目标不同，前者是达到更高的数据速率，而后者的目标是具有恒定包络和良好的自相关性【8 ，为了使用一套硬件设备同时进行通信和感知，降低设备成本，提升频谱利用率，需要设计通感一体化波形。文献9 指出目前通感一体化波形设计分为三种，分别为以通信为中心的波形设计、以感知为中心的波形设计和联合波形优化与设计。以通信为中心的波形设计方面，文献10 基于传统正交频分复用（OFDM，O r t h o g o n a l Fr e q u e n c y D i v i s i o nMultiplexing）通信波形，提出一种自适应OFDM一体化波形，在功率受限的情况下，摒弃对通信和感知最佳性能的追求，并通过调整子载波的发射功率和信噪比，获得更高的频谱利用率。文献11 提出了一种基于OFDM一体化波形的高分辨率距离和速度估计方法，推导了OFDM一体化波形测距和测速的克拉美罗界。相较于OFDM，正交时频空（OTFS，O r t h o g o n a lT im eFrequencySpace）调制在时延多普勒域中调制信息，对于高速移动的物体具有更好的通信性能12 。文献13基于OTFS一体化波形，提出一种匹配滤波器算法，提升目标距离和目标速度的估计精度。文献14 提出了一种基于OTFS波形的联合参数估计，推导出感知距离和感知速度的克拉美罗下界。综上所述，现有研究聚焦于单个通感基站的波形设计和资源管理等方面，缺乏对通感一体化无线网络系统级仿真性能评估。因此，本文聚焦于通感一体化无线网络系统性能，首先基于第三代合作伙伴计划（3GPP，3r dGenerationPartnershipProject）标准中的仿真场景搭建通感一体化无线网络系统模型。其次在NR顿结构的基础上进行改进，进而考虑小区间的干扰，通过系统级仿真分析现有通感一体化波形在通感一体化网络中的性能。1系统模型1.1 拓扑结构本文所搭建的通感一体化无线网络系统模型如图1所示，采用蜂窝网络拓扑结构，通感一体化基站布置于小区中心，用户在小区内均匀分布，所有基站采取相同的通感一体化顿结构。基站天线配置为一根发射天线和一根接收天线，发射天线用来发射通感一体化波形，接收天线用来接收感知回波。用户选择接人距离它最近的基站。通信目标既包括视距用户也包括非视距用户，考虑小区间的同频干扰。感知目标只包括视距目标，考虑小区间的信号干扰。1.2信道模型通感一体化无线网络系统中的信道模型考虑路径损耗和阴影衰落模型。通信信道模型采用3GPPTR38.901中城区的信道模型，考虑视距用户和非视距用户15。OITU-R为推进国际移动通信（IMT，I n t e r n a t io n a lM o b ileTelecommunications）关键技术研究，成立IMT-2030推进组，本文感知信道模型采用IMT-2030提案，考虑雷达截面积和接收孔径对于感知信道的影响，只考虑视距用户，如式(1)所示16 ;?BS-图1通感一体化无线网络拓扑图只考虑视距条件感知信号感知干扰信号！通信信道移动通信2024年3月第3期55第48 卷“6G通感算融合”专题1总第52 3期PLensing(d),d,)=PL(d.)+PL(d,)+其中，PL()代表采用3GPPTR38.901标准中城区场景的通信路径损耗，d,和d,分别代表感知目标距离发射感知波形基站和接收感知回波基站的距离，为波长，ORcs为雷达截面积。由于PL()考虑了接收天线孔径的影响，但感知信号相较于通信信号多了一个反射过程，因此需要消除接收孔径对于感知信号的影响以及将感知目标的反射能量考虑进来。阴影衰落服从均值为0、方差为3dB的对数正态分布。2通感一体化技术本文首先将5GNR顿结构改进为通感一体化顿结构，同时具备通信和感知双功能；然后考虑小区间的干扰问题，将OFDM一体化波形和OTFS一体化波形应用于通感一体化网络。2.1通感一体化顿结构5GNR顿结构中常用的四种顿结构有上下行4：1配比、上下行7：3配比、上下行3：1配比和上下行8：2配比，可以通过改变顿结构中的上下行配比来满足不同的通感业务。以上下行4：1配比的DDDSU帧结构为例，每个时隙包含14个OFDM符号，为了避免感知回波与上行通信信号产生干扰，将部分下行时隙的通信资源分配给感知，从而实现通感一体化。特别地，特殊时隙中的下行OFDM符号也可以分配给感知。因此，基于NR顿结构改进的通感一体化帧结构如图2 所示。2.2OFDM通感一体化波形由于频谱效率高、抗多径衰落和易于实现等优点，OFDM已广泛应用于当前的通信系统中。基于OFDM的通感一体化波形感知原理如图3所示117-18 。具体而言，通感一体化基站发射随机序列，生成正交调幅单载波波形，表达式为：x()=Ea(i)g(t-iT)其中，N,为OFDM符号数量，T表示符号持续时间。随后进行QAM调制，将随机序列映射在时频域中，进而对OFDM随机序列(1)101og10-101ogORCS4元S目标距离IFFT变换QAM调制除法器IFFT变换FFT变换添加循环前缀去除循环前缀D/A转换A/D转换TXRX图3OFDM通感一体化波形感知流程图基带信号做进一步处理得到OFDM发射波形，如式(3)所示：uTT其中，N。为子载波数量，aun表示使用第n个子载波与第个OFDM符号的资源单元（RE，Re s o u r c e El e me n t）携带的调制信息，J，为载波频率。发射的OFDM一体化波形在经过感知目标反射后回到接收端。但由于小区间的通感一体化基站发射的OFDM一体化波形同样经过感知目标反射后回到接收端，对本小区产生干扰。因此，通感一体化基站收到携带感知目标信息的OFDM基带信号如式(4)所示：exp(j2元N,Tfaopler)exp(-j2N,layAf)*(-T-m)+(u,)+()rectT其中，hun为信道衰减系数，taelay为感知目标的时延值，Jaoppler为感知目标的多普勒值，Af为子载波间隔，I(u,n)为相邻基站产生的同频干扰，n(t)表示高斯白噪声。将接收到的OFDM波形和发射的经过QAM调制的OFDM符号相除，消除传输的数据影响，如式（5）所示：(5)exp(-j2元N,tdelayAf)+i(u,n)在此基础上，采用FFT感知算法，得到每个正交子载(2)波上的感知信息，并与发送端的感知信号相除。进行FFT变换可以提取出目标速度信息，进行IFFT变换可以提取出目标距离信息，从而实现OFDM通感一体化波形感知功能。感知资源：FFT变换目标速度通信资源：UUL(3)(4)顿(10 ms)DDDSUDDDSU14个OFDM符号56移动通信2024年3月第3期SSDDD图2 通感一体化顿结构第48 卷总第52 3期亢晨宇，姜宁，王梓赫：基于NR的通信感知一体化系统级性能仿真评估(11)2.3OTFS通感一体化波形OTFS调制是一种新型的通感一体化系统调制技术，对时频双选信道中的多普勒效应具有鲁棒性。基于OTFS的通感一体化波形感知原理如图4所示19-2 0 ：随机序列QAM调制插入导频ISFFT变换Heisenberg变换添加循环前缀D/A转换TX图4OTFS通感一体化波形感知流程图具体而言，通感一体化基站发射随机序列，并进行QAM调制，将随机序列映射在时延多普勒域中，如式(6)所示：xP1,k=Zrx,(1i)ep(-j2n ki其中，M表示子载波数量，N表示符号数量，=0,1.,M-1，k-0,1.,N-1。然后在数据符号中插人导频符号，如式(7)所示：X=XDP+X,(7)其中，导频信号按照式（8)进行放置：-/MNo;(Lk)-(g,k,)X,0通过ISFFT变换，将时延多普勒信号转变为时频域信号，如式(9)所示：N-IM-XFm,n=VMNk=01=0其中，m=0,1.,M-1，n=o,1.,N-1。随后，通过Heisenberg变换，将时频域信号转变为时域信号，如式（10)所示：-IM-SoTFs(t)=0m=0ga(t-nT)ej2m(-nT)频域50 0 125612864320其中，T为符号持续时间，f为子载波间隔，接收端接收到感知目标反射后的OTFS一体化波形后，通过Wigner变换和SFFT变换，可以得到接收端时延多普勒信号，如式(11)所示:Y,-2xm,)*n=0 m=0k+目标信息MT+Im,n除法器其中，m,n表示小区间的干扰信号。最后，结合发射的导频信号，结合发射的导频信号，采用两阶段感知参数SFFT变换估计算法2 0 ，在第一阶段采用复杂度较低的粗略搜索在时延多普勒网格中找到感知目标的大致范围，在第二阶Wigner变换去除循环前缀A/D转换RX其他nk_ml)j2元NM)DD图5通感一体化时频资源分配方案j2元m段采用精细搜索，即使用二维黄金分割搜索方法估计时延和多普勒参数，从接收端时延多普勒信号中提取出感知信息，实现OTFS通感一体化波形感知功能。3仿真结果与分析本节利用仿真软件实现了改进的通感一体化帧结构，将链路级仿真平台的OFDM波形误码率和调制编码方案（M CS,M o d u l a t i o n a n d Co d i n g Sc h e me）通过接口连接到系统级仿真平台，在考虑多小区间干扰的情况下，评估不(6)同时频域资源分配方案下的OFDM一体化波形和OTFS一体化波形的通信和感知性能。3.1仿真设置仿真时间为10 0 ms，每个小区10 0 个用户，在以基站为中心，半径为10 0 m的圆形区域内均匀撒点，基站采用轮询调度算法为每个用户的通信过程分配资源块。而在(8)时域资源分配方面，每顿除上行时隙外，从每个时隙中选取2、4、8 个下行OFDM符号做感知，即感知符号数分别为16、32、6 4，分别统计不同频域资源分配下的通信(9)性能和感知性能。例如，当感知符号数量为16，感知资源块数量为30 时，时频资源分配方案如图5所示。具体而言，通信性能指标为吞吐量，感知性能指标为距离精度和速度精度。本文认为当距离误差大于10 m，(10)速度误差大于10 m/s时，基站不能检测到用户。其他仿真参数如表1所示：下行通信资源DN一片感知资源上行通信资源OFDM符号S移动通信2024年3月第3期57第48 卷“6G通感算融合”专题1总第52 3期表1仿真参数表参数载波频率带宽基站发射功率子载波间隔用户移动速度雷达截面积噪声功率3.2仿真结果分析图6 至图8 仿真了使用改进的通感一体化结构时，不同时频域资源划分方式对两种通感一体化波形的性能影响。可以看出，随着感知资源占比的增加，下行吞吐量逐渐下降，当符号数量为16，感知资源块数量为10 时，吞吐量可以达到6 8 3.0 57 Mbps，当符号数量为6 4，感知资源块数量为50 时，吞吐量有6 45.8 14Mbps。需要进一步分析不同资源配比下的感知性能，给出通感一体化网络的部署建议。690685680675670665660655650645640图6感知符号数为16 时通感一体化系统的通信性能690685680675670665660655650645640图7 感知符号数为32 时通感一体化系统的通信性能58移动通信2024年3月第3期690值6853.5 GHz680100MHz67549 dBm(sq)鲁67015 kHz66560 km/h20 dBm-173.2 dBm683.0568681.5555678.7853677.5442674.70071020感知资源块数量681.5555677.54421020感知资源块数量677.5442669.2639661.0453660655650645640图：感知符号数为6 4时通感一体化系统的通信性能图9至图11展示了符号数量分别为16、32、6 4时的不同频域资源配比下两种通感一体化波形的测距性能。其中，本文针对感知资源块数量为10、2 0、30、40 和50 的资源配比方式，使用OFDM一体化波形提取距离信息时，FFT点数分别采用512、10 2 4、2 0 48、40 96 和8 192。仿真结果表明，OFDM一体化波形的测距性能随着感知频域资源的增加而变高，最优可以达到分米级精度，为0.36 5m。OTFS一体化波形的测距精度最优可以达到厘米级精度，为0.092m。并且，OFDM一体化波形的测距性能基本不受感知符号数量的影响，而OTFS一体化波形的测距性能随着感知符号数量的增加而变高。具体而言，当感知符号数为16，感知资源块数量为10 时，OFDM一体化波形的测距精度为5.0 8 3m，O T FS一体化波形的测距精度为1.98 6 m，而当感知符号数为6 4，感知资源块数量为10 时，OFDM一体化波形的测距精度为5.150 m，O T FS一体化波形的测距精3040673.3669.2639665.11713040654.0454645.81441020感知资源块数量50度为1.0 6 2 m。因此，使用相同数量的感知资源时，OTFS一体化波形的测距性能优于OFDM一体化波形。6+OFDM波形OTFS波形54324105010图9感知符号数为16 时通感一体化系统的测距性能302030感知资源块数量40405050第48 卷总第52 3期亢晨宇，姜宁，王梓赫：基于NR的通信感知一体化系统级性能仿真评估6OFDM波形OTFS波形54(321010图10感知符号数为32 时通感一体化系统的测距性能6OFDM波形4OTFS波形5OFDM波形0.94OTFS波形0.80.7(s/)单0.60.50.40.30.20.102030感知资源块数量405016图12 感知资源块数为2 0 时通感一体化系统的测速性能1.2OFDM波形AOTFS波形32感知符号数量644(）贸32010图11感知符号数为6 4时通感一体化系统的测距性能图12、图13展示了感知资源块数量分别为2 0 和30时的不同时域资源配比下两种通感一体化波形的测速性能。其中，本文针对感知符号数量为16、32 和6 4的资源配比方式，使用OFDM一体化波形提取距离信息时，FFT点数分别采用2 56、512 和10 2 4。仿真结果表明，OFDM一体化波形的测速性能随着感知时域资源的增加而变高，最优可以达到0.17 8 m/s。O T FS一体化波形的测速精度最优可以达到0.0 6 2 m/s。总体而言，由于OTFS一体化波形的感知算法在进行粗略搜索后，使用二维黄金分割搜索方法进一步提高感知精确度，其性能优于OFDM一体化波形的感知算法。因此，OTFS一体化波形的测速性能优于OFDM一体化波形。0.8(s/）0.640.40.2402030感知资源块数量405016图13感知资源块数为30 时通感一体化系统的测速性能综上所述，通感一体化网络的部署建议如下：对于测距或测速性能要求高的场景选择OTFS一体化波形，而对于感知信息处理复杂度敏感的场景，选择OFDM一体化波形。总体而言，本文所分析的通感一体化顿结构和通感一体化波形可以针对不同场景的性能需求，择优选择一体化波形和时频资源分配方案。4结束语本文首先将NR顿结构改进为通感一体化顿结构，利用下行符号做感知，实现通信和感知共存，并分析OFDM通感一体化波形和OTFS通感一体化波形在通信感知一体化系统中的性能。此外，搭建了系统级仿真平台，5932感知符号数量移动通信2024年3月第3期64“6G通感算融合”专题1并对不同的时频域资源下的两种一体化波形的通信和感知性能进行对比和评估，并在此基础上，提出了通感一体化网络的部署建议。参考文献：1 ITU-R WP5D.Draft new recommendation ITU-R M.IMT.FRAMEWORK FOR 2030 AND BEYOND-framework andoverall objectives of the future development of IMT for 2030 andbeyondR.2023.2石涵琛，杨闯，彭木根.6 G太赫兹通信：架构、技术与挑战J/OL.电波科学学报，1-2 0 2 0 2 3-12-0 8 .3 Liu F,Masouros C,Petropulu A P,et al.Joint radar andcommunication design:Applications,state-of-the-art,andthe road aheadJ.IEEE Transactions on Communications,2020,68(6):3834-3862.4 Shi S,Cheng Z,Wu L,et al.Distributed 5G NR-based integratedsensing and 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WirelessCommunications,2023.亢晨宇：北京邮电大学信息与通信工程学院在读硕士研究生，主要研究方向为通信感知一体化。姜宁：北京邮电大学信息与通信工程学院在读博士研究生，主要研究方向为通信感知一体化、无线组网和资源分配。王梓赫：北京邮电大学信息与通信工程学院在读硕士研究生，主要研究方向为通信感知一体化。作者简介