RIS辅助的通感一体化系统波束赋形设计

PAGE10中文摘要摘要：通感一体化被认为是未来解决网络频谱拥塞问题的关键技术之一。在通感一体化系统中，利用通信的架构可以让雷达传感的波形分集以及通信的波束成形增益和空间复用大大提高，所以通感一体化系统的波束成形设计是一个关键问题，在恶劣的环境下，性能下降是不可避免的，而可重构智能表面（RIS）通过灵活控制其相移实现波束赋形，为通感一体化面临的难题提供了一种新的解决思路。鉴于上述背景，本论文，研究了在通感一体化系统中部署可重构智能表面，以获得覆盖更广，通信和感知性能更可靠的功能。主要工作如下：（1）考虑了多天线基站（BS），在RIS的帮助下同时执行为多个单天线用户提供服务并检测目标。从信噪比（SNR）方面研究了目标检测，在目标检测的SNR约束、发射功率预算和RIS反射系数的单位模量约束下，对波束成形进行联合优化，使多用户通信的可实现和速率最大化。（2）使用了一种基于分数规划（FP）、最大化-最小化（MM）和交替方向乘子法（ADMM），将非凸问题转化为可解的子问题进行求解。设计了近似算法对最优解进行迭代更新，同时保证算法满足收敛性。此外提出了基于同一个系统的另外两种方案，实验仿真结果表明，与其他方案相比，所提出的联合优化波束成形和反射设计具有一定的优势。关键词：通感一体化；可重构智能表面；波束赋形ABSTRACTABSTRACT:Integratedsensingandcommunication(ISAC)hasbeenconsideredasacriticaltechnologytotacklethespectrumcongestionproblemforfuturenetworks.Inintegratedsensingandcommunication(ISAC)systems,theutilizationofcommunication-orientedarchitecturesenablessignificantenhancementinradarsensingwaveformdiversity,communicationbeamforminggain,andspatialmultiplexingcapabilities.Consequently,beamformingdesignemergesasacriticalchallengeforISACsystems,whileperformancedegradationbecomesinevitableunderharshenvironmentalconditions.ReconfigurableIntelligentSurfaces(RIS)canrealizebeamformingbyflexiblycontrollingitsphaseshift,whichprovidesanewsolutiontotheproblemofsensingandcommunication.Inviewoftheabovebackground,thisstudyexplorestheintegrationofreconfigurableintelligentsurfaces(RIS)intojointsensingandcommunicationsystemstoenhancecoveragerangeandensurerobustperformanceindualfunctionaloperations.Themainworkisasfollows:(1)Iconsideredthatamulti-antennabasestation(BS)simultaneouslyservesmultiplesingle-antennauserswiththeassistanceofaRISanddetectspotentialtargets.Ifocusontargetdetectionperformanceintermsofthesignal-to-noiseratio(SNR).Targetdetectionisstudiedfromtheaspectofsignal-to-noiseratio(SNR),andthebeamformingisjointlyoptimizedunderanSNRconstraintfortargetdetectionor,thetransmitpowerbudget,andtheunit-modulusconstraintoftheRISreflectioncoefficients,soastomaximizetheachievablesum-rateofthemulti-usercommunications.(2)Afractionalprogramming(FP),majorization-minimization(MM)andalternativedirectionmethodofmultipliers(ADMM)areusedtotransformthenon-convexproblemintoasolvablesubproblem.Anapproximationalgorithmisdevisedtoiterativelyupdatetowardtheoptimalsolutionwhileguaranteeingconvergenceproperties.Inaddition,twootherschemesbasedonthesamesystemareproposed,andtheexperimentalresultsshowthattheproposedjointoptimizedbeamformingandreflectiondesignhascertainadvantagescomparedwithotherschemes.KEYWORDS：Integratedsensingandcommunication;reconfigurableintelligentsurface;jointbeamformingdesign. 目录 中文摘要 iABSTRACT ii1 引言 11.1 研究背景和意义 11.2 国内外研究现状 21.2.1 通感一体化发展现状 21.2.2 RIS技术研究现状 41.2.3 RIS辅助ISAC系统的研究 51.3 研究内容 61.4 章节安排 72 背景理论 82.1 通感一体化 82.1.1 通感一体化基本原理 82.1.2 通感一体化波形技术 92.2 智能反射面 112.2.1 RIS理论基础 112.2.2 RIS的典型应用场景 132.3 分数规划 153 联合优化设计 173.1 发送和接收信号 173.2 性能指标 193.2.1 可实现和速率 193.2.2 雷达目标检测的SNR 193.3 联合波束成形及反射设计 213.3.1 基于FP的转换 213.3.2 更新变量 243.3.3 更新r,c,u 244 算法与性能评估 284.1 算法设计 284.2 仿真设计 294.3 性能评估与分析 324.3.1 算法收敛性及波束图 324.3.2 发射功率的影响 334.3.3 雷达SNR的影响 335 结论与展望 355.1 结论 355.2 研究展望 35参考文献 36致谢 40附录 41引言研究背景和意义随着第五代无线通信网络(5thGenerationMobileCommunicationSystems，5G)的部署和商用以及下一代无线通信网络相关研究的推进，许多新兴应用场景开始展现，如车联网和智能家居，这些场景的实现与良好运行，都高度依赖高品质的通信和传感能力。通信感知一体化(integratedsensingandcommunication,ISAC)技术被认为是6G关键候选技术之一。由于通信和传感功能共享类似的硬件架构和信号处理算法，因此可以通过结合通信和传感功能的统一平台来实现这些要求。其提供的大带宽可同时实现高速率通信和高精度感知，并可为通信模块和感知模块提供低时延的信息交换和共享[[]刘期烈,王龙,辛雅楠,等.IRS辅助的全双工通感一体化波束成形设计[J].电信科学,2024,40(07):63-75.]。基于这些考虑，目前正在开展有关通信感知一体化（ISAC）的研究，以增强下一代通信系统的传感能力，实现动态频谱共享以及雷达与通信系统的和谐共存[[]Y.Xu,Y.Li,J.A.Zhang,M.D.RenzoandT.Q.S.Quek,"JointBeamformingforRIS-AssistedIntegratedSensingandCommunicationSystems,"in

IEEETransactionsonCommunications,vol.72,no.4,pp.2232-2246,April2024][]刘期烈,王龙,辛雅楠,等.IRS辅助的全双工通感一体化波束成形设计[J].电信科学,2024,40(07):63-75.[]Y.Xu,Y.Li,J.A.Zhang,M.D.RenzoandT.Q.S.Quek,"JointBeamformingforRIS-AssistedIntegratedSensingandCommunicationSystems,"in

IEEETransactionsonCommunications,vol.72,no.4,pp.2232-2246,April2024可重构智能表面（ReconfigurableIntelligentSurface,RIS）被视为6G技术领域的一颗耀眼新星，其低成本、低复杂度及易于部署的特性，为解决未来无线网络所面临的挑战开辟了新路径。在智能超表面增强的无线通信架构下，RIS凭借其空时调制特点，不仅能够在非直射路径下构建出虚拟的直接视线通信链路，还通过精细调整反射系数矩阵来优化通信链路质量，并根据需求动态地提供波束成形增益。这一特性不仅显著提升了通信的可靠性和效率，同时也赋予了无线通信系统前所未有的灵活配置能力[[]马红兵,张平,杨帆,等.智能超表面技术展望与思考[J].中兴通讯技术,2022,28(03):70-77.[]马红兵,张平,杨帆,等.智能超表面技术展望与思考[J].中兴通讯技术,2022,28(03):70-77.在通感一体化系统中，部署可重构智能表面（RIS）可以获得更好的性能，利用RIS技术，可以增加ISAC波束成形的自由度（degreeoffreedom，DoF），扩大RIS辅助ISAC系统的信号覆盖范围。同时多天线技术还有很大优势，MIMO雷达技术凭借其发射波形分集优势，在目标探测、参数估计、射频隐身和抗干扰方面表现出色。从理论层面来看，MIMO雷达凭借其独特的技术优势，适用于各类目标探测领域：航空领的探索机载MIMO雷达的抗干扰技术[[]刘德顺.机载FDA-MIMO雷达抗干扰技术研究[D].中国电子科技集团公司电子科学研究院,2024.DOI:10.27728/ki.gdzkx.2024.000020.]，以提升雷达在复杂电磁环境下的探测稳定性；汽车智能辅助驾驶领域，MIMO雷达技术在分复用雷达的研究上取得显著进展[[]K.RambachandB.Yang,"MIMOradar:Timedivisionmultiplexingvs.codedivisionmultiplexing,"

InternationalConferenceonRadarSystems(Radar2017),Belfast,2017,pp.1-5][[]K.RambachandB.Yang,"ColocatedMIMOradar:Cramer-RaoboundandoptimaltimedivisionmultiplexingforDOAestimationofmovingtargets,"

2013IEEEInternationalConferenceonAcoustics,SpeechandSignalProcessing,Vancouver,BC,Canada,2013,pp.4006-4010][[][]刘德顺.机载FDA-MIMO雷达抗干扰技术研究[D].中国电子科技集团公司电子科学研究院,2024.DOI:10.27728/ki.gdzkx.2024.000020.[]K.RambachandB.Yang,"MIMOradar:Timedivisionmultiplexingvs.codedivisionmultiplexing,"

InternationalConferenceonRadarSystems(Radar2017),Belfast,2017,pp.1-5[]K.RambachandB.Yang,"ColocatedMIMOradar:Cramer-RaoboundandoptimaltimedivisionmultiplexingforDOAestimationofmovingtargets,"

2013IEEEInternationalConferenceonAcoustics,SpeechandSignalProcessing,Vancouver,BC,Canada,2013,pp.4006-4010[]吴晨寅.面向自动驾驶的MIMO毫米波雷达目标探测与成像技术研究[D].北京交通大学,2023.DOI:10.26944/ki.gbfju.2023.001922.国内外研究现状本论文主要解决的问题是RIS辅助通感一体化联合波束赋形设计，ISAC联合部署在同一个硬件平台，可以在通信和感知之间共享频谱，获得集成增益。但是，在实际部署的时候，基站的能力限制了通信和感知性能。而RIS正好可以调节反射单元的相位来控制电磁波的传播环境。所以提出的ISAC中部署RIS可以扩大基站的覆盖范围并且提高系统性能。下面将对ISAC和RIS的发展和现状进行阐述。通感一体化发展现状通信感知一体化最早在上个世纪60年代开始被研究，系统的名字也没有被统一，有雷达通信、联合通信和雷达以及双功能雷达通信。从20世纪上半叶以来，雷达开始在世界各地被部署，运用于许多方面，如航空飞行、气象预测以及军事装备等。通感一体化的研究起源可追溯至20世纪70年代。当时，美国国家航空航天局（NASA）开展了一个旨在整合通信和传感技术的项目[[]A.R.Chiriyath,B.PaulandD.W.Bliss,"Radar-CommunicationsConvergence:Coexistence,Cooperation,andCo-Design,"in

IEEETransactionsonCognitiveCommunicationsandNetworking,vol.3,no.1,pp.1-12[]A.R.Chiriyath,B.PaulandD.W.Bliss,"Radar-CommunicationsConvergence:Coexistence,Cooperation,andCo-Design,"in

IEEETransactionsonCognitiveCommunicationsandNetworking,vol.3,no.1,pp.1-12随着物联网（IoT）、车联网和智能城市的发展，对无线系统提出了更高的要求，如高数据传输速率、低延迟、广覆盖和强环境感知等。这些需求推动了ISAC技术的发展，以实现更加集成和智能的无线解决方案。5G和6G技术的发展正在促使无线网络发生重大变化，为AR、VR、自动驾驶和远程医疗等应用提供支持。这些应用要求通信链路不仅要快速可靠，还要具备精确的传感和定位能力。ISAC技术通过在同一硬件平台上集成通信和传感功能，提高了系统的智能性、效率和经济性。ISAC技术的发展是市场需求和技术进步的必然结果，预示着未来的无线系统将更加智能化和多功能化。2021年，中国发布的《6G总体愿景与潜在关键技术》白皮书强调，6G将赋能智慧城市、智能交通和远程医疗等领域，支持数字双胞胎、沉浸式增强现实和全息通信等创新应用。ISAC技术在这些智能场景中发挥着关键作用，可促进生物物理环境与数字环境之间的无缝互动[[]Y.Ding,X.Li,Y.CaiandZ.Wu,"AdvancementsinISAC:AReviewofMulti-AntennaTechnologyIntegrationforNext-GenerationCommunicationandSensingSystems,"

202412thInternationalConferenceonInformationSystemsandComputingTechnology(ISCTech),Xi'an,China,2024,pp.1-5[]Y.Ding,X.Li,Y.CaiandZ.Wu,"AdvancementsinISAC:AReviewofMulti-AntennaTechnologyIntegrationforNext-GenerationCommunicationandSensingSystems,"

202412thInternationalConferenceonInformationSystemsandComputingTechnology(ISCTech),Xi'an,China,2024,pp.1-5目前ISAC的设计主要可分为三类：通信主导型，感知主导型和平衡型。（1）通信主导型：在以通信为主导的通感集成系统中，传感功能辅助通信系统，利用通信信号回波获取目标的信息。波形设计主要基于经典通信波形，如OFDM或单载波波形，并通过功率分配和相位编码来提高传感性能。新波形如码分复用OFDM也被用于提高通信可靠性和消除干扰。He等[[]Z.He,W.Xu,H.Shen,D.W.K.Ng,Y.C.EldarandX.You,"Full-DuplexCommunicationforISAC:JointBeamformingandPowerOptimization,"in

IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,vol.41,no.9,pp.2920-2936,Sept.2023]开发了全双工通信辅助ISAC系统，并专注于优化耦合的下行链路和上行链路传输，[]Z.He,W.Xu,H.Shen,D.W.K.Ng,Y.C.EldarandX.You,"Full-DuplexCommunicationforISAC:JointBeamformingandPowerOptimization,"in

IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,vol.41,no.9,pp.2920-2936,Sept.2023（2）感知主导型：在这一类的系统中，通信是辅助感知的功能，主要目标是为了提高感知性能。Zhao等[[]R.Zhao

etal.,"JointBeamformingandModeSelectionDesignforHybridRISAssistedIntegratedSensingandCommunications,"

2024IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference(WCNC),Dubai,UnitedArabEmirates,2024,pp.1-6]引入了混合RIS，在满足每个CU、BS和有源RIS元件的通信要求的同时使[]R.Zhao

etal.,"JointBeamformingandModeSelectionDesignforHybridRISAssistedIntegratedSensingandCommunications,"

2024IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference(WCNC),Dubai,UnitedArabEmirates,2024,pp.1-6（3）平衡型：在这一类系统中，通信和感知都起着同样重要的做用，两者互惠互利。A.Ahmed等[[]A.AhmedandY.D.Zhang,"OptimizedResourceAllocationforDistributedJointRadar-CommunicationSystem,"in

IEEETransactionsonVehicularTechnology,vol.73,no.3,pp.3872-3885,March2024][]A.AhmedandY.D.Zhang,"OptimizedResourceAllocationforDistributedJointRadar-CommunicationSystem,"in

IEEETransactionsonVehicularTechnology,vol.73,no.3,pp.3872-3885,March2024ISAC常用于的系统有很多，如RIS辅助ISAC，无人机ISAC辅助和ISAC辅助车辆系统等。RIS辅助ISAC在这里不再叙述，主要阐述另外两种系统。（1）ISAC辅助无人机：当无人机接管BS的角色时，它们可以根据无人机的位置提供灵活的传感和增强的通信能力。无人机的这种灵活性有望彻底改变现有的ISAC系统，并有望实现更灵活的联合设计。特别是，对于在LoS分量不同时表现出良好性能的传感功能，由于无人机可以通过移动性提供LoS链路，因此系统的灵活性有望显着提高。Meng等[[]K.Meng,Q.Wu,S.Ma,W.Chen,K.WangandJ.Li,"ThroughputMaximizationforUAV-EnabledIntegratedPeriodicSensingandCommunication",

IEEETransactionsonWirelessCommunications,vol.22,no.1,pp.671-687,Jan.2023.]人提出了一种新的ISAC架构[]K.Meng,Q.Wu,S.Ma,W.Chen,K.WangandJ.Li,"ThroughputMaximizationforUAV-EnabledIntegratedPeriodicSensingandCommunication",

IEEETransactionsonWirelessCommunications,vol.22,no.1,pp.671-687,Jan.2023.在无人机辅助的ISAC系统中，必须考虑考虑无人机运动、姿态变化和无人机振动的抖动效应。Zhao等[[]J.Zhao,F.Gao,W.Jia,W.YuanandW.Jin,"IntegratedSensingandCommunicationsforUAVCommunicationsWithJitteringEffect",

IEEEWirelessCommunicationsLetters,vol.12,no.4,pp.758-762,April2023.]集成了无人机传感、通信和控制，以实现低延迟信息传输。作者将系统状态定义为无人机的位置、速度和姿态角，并假设可以集成陀螺仪、加速度计和GPS等各种传感器数据。在[NOTEREF_Ref198115167\h14]中，他们试图通过集成和优化传感、通信和控制功能来实现无人机辅助的ISAC系统，使其能够抵抗抖动效应。[]J.Zhao,F.Gao,W.Jia,W.YuanandW.Jin,"IntegratedSensingandCommunicationsforUAVCommunicationsWithJitteringEffect",

IEEEWirelessCommunicationsLetters,vol.12,no.4,pp.758-762,April2023.（2）车辆系统中的ISAC：检测车辆和其他车辆网络中其他物体的状态，例如它们的位置和速度，对于实现防撞和实际实时道路安全至关重要[[]W.Yuan,S.Li,L.XiangandD.W.K.Ng,"DistributedEstimationFrameworkforBeyond5GIntelligentVehicularNetworks",

IEEEOpenJournalofVehicularTechnology,vol.1,pp.190-214,2020.]。Yuan等人[[]W.Yuan,Z.Wei,S.Li,J.YuanandD.W.K.Ng,"IntegratedSensingandCommunication-AssistedOrthogonalTimeFrequencySpaceTrans-missionforVehicularNetworks",

IEEEJournalofSelectedTopicsinSignalProcessing,vol.15,no.6,pp.1515-1528,Nov.2021.]为由RSU和多辆车组成的车载ISAC系统中的车辆设计了预测传输波束形成，目标是最大限度地提高车辆状态检测和下行链路通信的频谱效率。作者证明，波束成形预测可以利用基于ISAC的飞行器运动学参数来预测飞行器在下一个时刻的位置和速度，从而消除了对波束配对的飞行员的需求，并减少了信道估计的开销。在这篇文献中，作者使用了正交时频空间传输，而Liu等人[]W.Yuan,S.Li,L.XiangandD.W.K.Ng,"DistributedEstimationFrameworkforBeyond5GIntelligentVehicularNetworks",

IEEEOpenJournalofVehicularTechnology,vol.1,pp.190-214,2020.[]W.Yuan,Z.Wei,S.Li,J.YuanandD.W.K.Ng,"IntegratedSensingandCommunication-AssistedOrthogonalTimeFrequencySpaceTrans-missionforVehicularNetworks",

IEEEJournalofSelectedTopicsinSignalProcessing,vol.15,no.6,pp.1515-1528,Nov.2021.[]C.Liuetal.,"Learning-BasedPredictiveBeamformingforIntegratedSensingandCommunicationinVehicularNetworks",

IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,vol.40,no.8,pp.2317-2334,Aug.2022.RIS技术研究现状RIS技术通过创造出灵活的传播环境来提高无线通信的容量和范围，被学术界认为是一种很有前途的6G网络技术。将从两个方面来阐述RIS目前的研究现状：(1)RIS辅助通信系统的研究：在文献[[]J.Zhao

etal.,"EnergyEfficientFull-DuplexCommunicationSystemswithReconfigurableIntelligentSurface,"

2020IEEE92ndVehicularTechnologyConference(VTC2020-Fall),Victoria,BC,Canada,2020,pp.1-5]中，作者们考虑了一种基于FD模式的系统，并提出了一种在RIS的源和反射系数矩阵处分配发射功率的算法，以最大化EE。特别地，在发射功率分配中采用了非线性分数编程方法。数值结果表明，增加RIS反射元件和降低RIS的电路功率可以证明EE的改善。仿真结果还表明，与HD系统相比，在FD模式下所提出的方法可以实现接近两倍的EE以及和速率性能。文献[[][]J.Zhao

etal.,"EnergyEfficientFull-DuplexCommunicationSystemswithReconfigurableIntelligentSurface,"

2020IEEE92ndVehicularTechnologyConference(VTC2020-Fall),Victoria,BC,Canada,2020,pp.1-5[]C.Xiao,H.Huo,W.Xu,H.SunandC.Shu,"ReconfigurableIntelligentSurface-AidedIndoorCommunicationWithNeuralBeamAlignment,"

2021IEEE/CICInternationalConferenceonCommunicationsinChina(ICCC),Xiamen,China,2021,pp.546-550(2)RIS辅助感知系统的研究：在文献[[]W.Lu,B.Deng,Q.Fang,X.WenandS.Peng,"IntelligentReflectingSurface-EnhancedTargetDetectioninMIMORadar,"in

IEEESensorsLetters,vol.5,no.2,pp.1-4,Feb.2021,Artno.7000304]中，作者将IRS应用于共址MIMO雷达系统，以增加接收功率并提高目标检测性能。针对这一问题，我们引入了一种IRS辅助目标检测算法，利用实际的IRS模型进行反射优化，然后提出了目标检测的最优波束赋形算法。同时，所提方法的Cramér-Rao界（CRB）显示了在MIMO雷达系统中使用IRS的有效性。仿真结果表明，所提方法可以获得更好的目标检测性能。随着IRS中元件数量的增加，与非IRS辅助MIMO雷达系统相比，所提方法具有更好的角度分辨率和探测概率。在文献[[]S.Buzzi,E.Grossi,M.LopsandL.Venturino,"RadarTargetDetectionAidedbyReconfigurableIntelligentSurfaces,"in

IEEESignalProcessingLetters,vol.28,pp.1315-1319,2021[]W.Lu,B.Deng,Q.Fang,X.WenandS.Peng,"IntelligentReflectingSurface-EnhancedTargetDetectioninMIMORadar,"in

IEEESensorsLetters,vol.5,no.2,pp.1-4,Feb.2021,Artno.7000304[]S.Buzzi,E.Grossi,M.LopsandL.Venturino,"RadarTargetDetectionAidedbyReconfigurableIntelligentSurfaces,"in

IEEESignalProcessingLetters,vol.28,pp.1315-1319,2021考虑前面的RIS的应用场景，文献[[]S.Buzzi,E.Grossi,M.LopsandL.Venturino,"FoundationsofMIMORadarDetectionAidedbyReconfigurableIntelligentSurfaces,"in

IEEETransactionsonSignalProcessing,vol.70,pp.1749-1763,2022]中考虑了一个通用信号模型，其中包括使用最多两个RIS的可能性（一个靠近雷达发射器，一个靠近雷达接收器），并包含单静态和双静态雷达配置，LOS或者NLOS。研究表明[]S.Buzzi,E.Grossi,M.LopsandL.Venturino,"FoundationsofMIMORadarDetectionAidedbyReconfigurableIntelligentSurfaces,"in

IEEETransactionsonSignalProcessing,vol.70,pp.1749-1763,2022RIS辅助ISAC系统的研究近年来，国内外学者对基于RIS的ISAC系统进行了研究。文献中[[]范甜甜,曲永超,郝万明.有源RIS辅助毫米波ISAC系统中能效优化研究[J/OL].计算机应用与软件,1-11[2025-04-18]./kcms/detail/31.1260.TP.20241111.1058.002.html.]作者提出了一种RIS辅助毫米波ISAC系统架构，其中双功能雷达和通信基站(Dual-functionradarandcommunicationbasestation,DFBS)应用低功耗低复杂度的全连接混合预编码(Hybridprecoding,HP)结构。并且把SDR、FP、MO-AltMin技术的交替优化算法运用到此系统架构中，通过交替优化机制实现DFBS混合波束形成与有源RIS波束形成的联合设计：首先固定有源RIS的反射系数矩阵，优化DFBS的数字预编码和模拟预编码参数；随后基于所设计的数字/模拟预编码结果，通过反射单元的动态调控反向优化有源RIS的波束形成矩阵，最终形成双向迭代优化框架。在这篇文献中也深入探讨了全连接混合预编码结构的能源效率略高于与相同RIS结构下的全数字预编码结构的能源效率，同时对于相同的BS天线个数来说，所提出的“有源RIS”方案的能源效率高于“无源RIS”和“随机相位RIS”方案。全连接混合预编码结构获得刚开始较低于与全数字预编码结构的能源效率，随着天线数量的增加则高于全数字方案。最终得出全连接混合预编码结构下系统能效高于全数字编码结构下的系统能效。此外，不同RIS数量下的不同方案的能效比较也有所不同。文献中[[]W.Hao,Y.Qu,S.Zhou,F.Wang,Z.LuandS.Yang,"JointBeamformingDesignforHybridRIS-AssistedmmWaveISACSystemRelyingonHybridPrecodingStructure,"in

IEEEInternetofThingsJournal,vol.11,no.18,pp.29455-29469,15Sept.15,2024]作者研究了一种用于hris辅助毫米波ISAC系统的新架构，其中DFBS应用了全连接混合预编码(HP)结构。在满足DFBS和HRIS的功率约束的情况下，对DFBS混合预编码器和HRIS波束形成进行联合优化，实现最小照明功率最大化。在此基础上，对DFBS混合预编码器和HRIS波束形成进行联合优化，使总可达速率最大化。仿真结果表明，全连接HP结构下的系统通信和传感性能与全数字预编码结构下的系统通信和传感性能非常接近，且能效高于全数字预编码结构下的系统。此外，HP结构在DFBS上的应用进一步降低了功耗，与传统的被动RIS辅助ISAC系统相比，该系统具有更高的能源效率和更好的通信和传感性能。文献[]范甜甜,曲永超,郝万明.有源RIS辅助毫米波ISAC系统中能效优化研究[J/OL].计算机应用与软件,1-11[2025-04-18]./kcms/detail/31.1260.TP.20241111.1058.002.html.[]W.Hao,Y.Qu,S.Zhou,F.Wang,Z.LuandS.Yang,"JointBeamformingDesignforHybridRIS-AssistedmmWaveISACSystemRelyingonHybridPrecodingStructure,"in

IEEEInternetofThingsJournal,vol.11,no.18,pp.29455-29469,15Sept.15,2024[]M.Liu

etal.,"JointBeamformingDesignforDoubleActiveRIS-AssistedRadar-CommunicationCoexistenceSystems,"in

IEEETransactionsonCognitiveCommunicationsandNetworking,vol.10,no.5,pp.1704-1717,Oct.2024廖勇等人在文献[[]廖勇,韦东卫.可重构智能表面辅助的通感一体化系统波束成形设计综述[J/OL].中兴通讯技术,1-15[2025-04-18]./kcms/detail/34.1228.TN.20241111.1644.002.html.]中提到当前学界研究的重难点主要在波束成型的优化设计方面以及如何设计出一个鲁棒性更强、复杂度更低的优化算法。对于未来的研究趋势将体现在以下四个方面：智能化波束成形、安全隐私优化、能量效率优化、[]廖勇,韦东卫.可重构智能表面辅助的通感一体化系统波束成形设计综述[J/OL].中兴通讯技术,1-15[2025-04-18]./kcms/detail/34.1228.TN.20241111.1644.002.html.在RIS辅助ISAC系统中，不同的优化算法所带来的波束成形设计的效果也大不相同。不同算法对比结果如REF_Ref26261\h表1-1所示。表1-SEQ表1-\*ARABIC1基于RIS辅助ISAC波束形成设计文献优化算法基准模型算法效果[23]基于SDR、FP、MO-AltMin技术的交替优化算法基于基站混合预编码结构的毫米波ISAC模型所提出的算法在性能上十分接近全数字预编码器的性能[24]基于QCQP、MO-AltMin、SDR技术的迭代算法HRIS辅助毫米波ISAC系统模型HP结构在DFBS上的应用进一步降低了功耗，与传统的被动RIS辅助ISAC系统相比,该系统具有更高的能源效率和更好的通信和传感性能[25]基于FP和CCP的PDD双环算法，是一个低复杂度算法，内循环采用BCD算法，外循环迭代更新参数双有源RIS辅助RCC系统，由单天线BS、单天线用户(UE)和多输入多输出(MIMO)雷达组成双有源RIS辅助系统的算法在相同功率预算和反射元素数量下比其他基准方案具有更好的系统性能[[]Y.Zhang,J.Lin,Y.Zhao,L.Huang,Z.GaoandG.Xu,"ActiveRIS-AssistedIntegratedSensingandCommunicationSystems:JointReceive-TransmitBeamformingandReflectionDesign,"

[]Y.Zhang,J.Lin,Y.Zhao,L.Huang,Z.GaoandG.Xu,"ActiveRIS-AssistedIntegratedSensingandCommunicationSystems:JointReceive-TransmitBeamformingandReflectionDesign,"

2024IEEE100thVehicularTechnologyConference(VTC2024-Fall),Washington,DC,USA,2024,pp.1-5基于二次变换（QT）、Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件、半定松弛（SDR）和交替优化（AO）思想的算法主动RIS辅助的集成传感和通信（ISAC）系统，其中BS在存在干扰的情况下感知目标，并在RIS的协助下与多个用户建立通信在相同的功率预算下，有源RIS辅助是比无源和随机RIS方案更好的策略[[]K.Chen,C.Qi,O.A.DobreandG.Y.Li,"SimultaneousBeamTrainingandTargetSensinginISACSystemsWithRIS,"in

[]K.Chen,C.Qi,O.A.DobreandG.Y.Li,"SimultaneousBeamTrainingandTargetSensinginISACSystemsWithRIS,"in

IEEETransactionsonWirelessCommunications,vol.23,no.4,pp.2696-2710,April2024同步波束训练和目标传感（SBTTS）方案使基站能够使用用户终端（UT）和RIS进行波束训练,基于SBTTS的波束训练结果，通过开发一种低复杂度的二维快速搜索算法，提出了一种针对视距信道和非视距信道的定位和阵列方向估计（PAOE）方案一个RIS辅助的ISAC系统，其中BS为用户终端提供服务，并同时检测多个目标结果表明，得益于传感单元的集成，所提出的光束对准方案可以实现比光束扫描更好的性能，并且训练开销更低。研究内容本论文旨在设计针对ISAC系统重点探讨如何优化波束以实现更好的系统性能。系统模型是多天线基站在RIS协作情况下为多个单天线终端用户提供服务，并同时检测目标物体。研究内容包括：1、建立系统模型和信号模型，推导需要使用的性能指标，如（雷达信噪比，多用户和速率等），构建RIS辅助的通感一体化波束赋形联合优化问题，在总发射功率的约束以及雷达信噪比约束下最大化系统和速率。2、优化多天线基站的发射波束成形矩阵、RIS反射系数等，并设计有效算法。3、利用仿真软件matlab设计模拟仿真验证环境，提出另外的基准方案比较并讨论算法性能。章节安排图SEQ图\*ARABIC1论文研究关系图本文总共分为五章，安排与内容如REF_Ref198376774\h图1图SEQ图\*ARABIC1论文研究关系图第一章，引言。本章介绍了可智能重构表面和通信感知一体化的研究背景以及国内外研究现状，提出了本文的章节安排及研究内容。第二章，背景理论。本章对通感一体化系统和RIS的原理进行了详细的叙述，还对分数规划（FP）进行了简短的推导。为第三章的理论推导奠定了坚实的基础。第三章，联合波束成形及反射设计。本章构建了RIS辅助ISAC系统，用简单的信号模型推导出多用户通信和速率以及雷达信噪比本章将需要优化的问题公式化，将其中难处理的问题通过FP[[]R.Zhang,Y.Wang,L.MouandY.Zhang,"ResearchonBeamformingDesignofISACSystem:AnFPApproach,"in

IEEEWirelessCommunicationsLetters,vol.13,no.4,pp.964-968,April2024]，ADMM[[]B.Liu,H.Shen,Z.Yang,W.XuandC.Zhao,"JointTargetEstimation,ChannelEstimation,andSymbolDetectionforISACSystems,"

202416thInternationalConferenceonWirelessCommunicationsandSignalProcessing(WCSP),Hefei,China,2024,pp.839-844[]R.Zhang,Y.Wang,L.MouandY.Zhang,"ResearchonBeamformingDesignofISACSystem:AnFPApproach,"in

IEEEWirelessCommunicationsLetters,vol.13,no.4,pp.964-968,April2024[]B.Liu,H.Shen,Z.Yang,W.XuandC.Zhao,"JointTargetEstimation,ChannelEstimation,andSymbolDetectionforISACSystems,"

202416thInternationalConferenceonWirelessCommunicationsandSignalProcessing(WCSP),Hefei,China,2024,pp.839-844第四章，算法设计与性能评估。在第三章中已经初步对算法思想进行简单的阐述。通过公式推导出来的解进行迭代更新，通过设置惩罚参数，让迭代的过程使惩罚参数趋于0，从而使算法满足收敛性。在仿真设计部分介绍了在仿真时将信号和信道通过向量的形式表示。最后通过matlab完成了仿真实验。展示了不同方案对多用户和速率的影响以及算法的收敛性验证，对结果进行了分析和讨论。第五章，结论与展望。本章通过对所做的研究进行了总结，对设计的不足之处进行分析，以及可以改进的地方进行阐述。

背景理论本章主要对RIS和ISAC系统进行详细的介绍。一方面介绍了通感一体化的基本原理和波形设计，另一方面介绍RIS实现的两种方式、波束成形原理和典型的应用场景。最后简短推导了分数规划的证明过程。通感一体化通感一体化基本原理图SEQ图\*ARABIC2一般基带无线通信模型一般基带无线通信模型如REF_Ref198287516\h图2图SEQ图\*ARABIC2一般基带无线通信模型则通过信道传输的信号为y=Hx+n#信道容量可以由香农信息理论得到，为C=其中ρ为信噪比。论文中使用了多输入单输出系统（MISO），MISO天线系统如REF_Ref198289384\h图3所示，在发射器或输入侧使用更多数量的天线，在接收器或输出侧使用单个天线。这里有两个衰落通道系数和它们本质上是不同的。图图SEQ图\*ARABIC3MISO系统示意图通感一体化波形技术本节将叙述ISAC波形设计的分类。现有的波形设计根据集成度水平主要分为两类：松耦合技术和紧耦合技术。前者根据资源配置的方式可进一步分为时分复用、频分复用和时分复用。后者根据设计优先级和信号格式可分为以下三类，一类是基于通信波形的技术，使用通信信号作为雷达探测，对目标进行的检测;另一种是基于雷达波形的技术，在传统雷达波形的参数中嵌入数字信息，使通信信号反映在雷达探测波形上;以及双功能波形技术的设计。1、ISAC的松散耦合技术松散耦合技术可以理解为多路复用。虽然传感和通信波形是独立的，但传感和通信功能的多路复用可以根据一个或多个维度的正交性来实现。此类波形的主要特点是易于设计、易于实现，并且传感和通信波形对相互性能的影响很小。目前为止，一般的波形多路复用类型包括时分多路复用

[[]H.Takahara,K.OhnoandM.Itami,"AStudyonUWBRadarAssistedbyInter-vehicleCommunicationforSafetyApplications",

2012IEEEInternationalConferenceonVehicularElectronicsandSafety(ICVES2012),pp.99-104,2012.]、频分多路复用[[]A.K.MishraandM.Inggs,"FOPENCapabilitiesofCommensalRadarsBasedonWhitespaceCommunicationSystems",

2014IEEEIn-ternationalConferenceonElectronicsComputingandCommunicationTechnologies(CONECCT),pp.1-5,2014.]和空间分复用[[[]H.Takahara,K.OhnoandM.Itami,"AStudyonUWBRadarAssistedbyInter-vehicleCommunicationforSafetyApplications",

2012IEEEInternationalConferenceonVehicularElectronicsandSafety(ICVES2012),pp.99-104,2012.[]A.K.MishraandM.Inggs,"FOPENCapabilitiesofCommensalRadarsBasedonWhitespaceCommunicationSystems",

2014IEEEIn-ternationalConferenceonElectronicsComputingandCommunicationTechnologies(CONECCT),pp.1-5,2014.[]A.Hassanien,M.G.AminandY.D.Zhang,"Dual-functionRadar-communicationsusingPhase-rotationalInvariance",

201523rdEuropeanSignalProcessingConference(EUSIPCO),pp.1346-1350,2015.a）时分复用:时分复用是指在不同时间段里发射不同种类的波形，从而达到雷达传感和通信的功能。Konno等人[[]K.KonnoandS.Koshikawa,"Millimeter-WaveDualModeRadarforHeadwayControlinIVHS",

1997IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposiumDigest,pp.1261-1264,1997.]使用载频59.5GHzFM连续波雷达波形，并使用幅度键控来实现不同时段车辆之间的距离测量和信息传输。Wu等人使用梯形FM连续波信号进行集成，其中雷达功能用于过程的前3/4部分，通信用于过程的后1/4

部分[[]J.MoghaddasiandK.Wu,"MultifunctionalTransceiverforFutureRadarSensingandRadioCommunicatingData-FusionPlatform",

IEEEAccess,vol.4,pp.818-838,2016.]。时分复用的优点是雷达和通信功能互不干扰，实现复杂度低。缺点是雷达无法在某个特定时间探测到目标，并且由于某些时间资源被通信单独使用，因此存在探测[]K.KonnoandS.Koshikawa,"Millimeter-WaveDualModeRadarforHeadwayControlinIVHS",

1997IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposiumDigest,pp.1261-1264,1997.[]J.MoghaddasiandK.Wu,"MultifunctionalTransceiverforFutureRadarSensingandRadioCommunicatingData-FusionPlatform",

IEEEAccess,vol.4,pp.818-838,2016.b）频分复用:频分复用将工作在不同频段的雷达和通信信号集成在一起。Winkler等人专门分配了频谱，以便在雷达频谱的第一个旁瓣上实现数据传输[[]V.WinklerandJ.Detlefsen,"Automotive24GHzPulseRadarExtendedbyaDQPSKCommunicationChannel",

2007EuropeanRadarConference,pp.138-141,2007.]

。5.9GHz的载波频率传输信息，以便于十字路口的车辆调度[[]H.A.Hossain,I.ElshafieyandA.Al-Sanie,"VehicularRadarandCommunicationforTrafficCapacityImprovementinRealisticUrbanRoad",

2017IEEEAsiaPacificMicrowaveConference,pp.1302-1305,2017.]。频分复用的优势是让雷达和通信两个板块同时[]V.WinklerandJ.Detlefsen,"Automotive24GHzPulseRadarExtendedbyaDQPSKCommunicationChannel",

2007EuropeanRadarConference,pp.138-141,2007.[]H.A.Hossain,I.ElshafieyandA.Al-Sanie,"VehicularRadarandCommunicationforTrafficCapacityImprovementinRealisticUrbanRoad",

2017IEEEAsiaPacificMicrowaveConference,pp.1302-1305,2017.c）空间分复用:空间分复用是将雷达有源相控天线阵列划分为不同子阵列，实现雷达和不同波束方向通信的功能的波束分系统[[]M.Knitter,W.EndemannandR.Kays,"CombinedSpatialDivisionMultiplexingandSpatialReuseacrossDecentralWirelessLANs",

202119thMediterraneanCommunicationandComputerNetworkingConference(MedComNet),pp.1-7,2021.][]M.Knitter,W.EndemannandR.Kays,"CombinedSpatialDivisionMultiplexingandSpatialReuseacrossDecentralWirelessLANs",

202119thMediterraneanCommunicationandComputerNetworkingConference(MedComNet),pp.1-7,2021.2、ISAC的紧耦合技术（通信波形，雷达波型和双功能波形）基于通信波形技术：a）基于扩频为了获得更好的通信性能，最好使用具有良好自相关特性的扩频信号作为ISAC的波形。系统只传输一个扩频信号。一方面，系统通过传输的信号将通信数据传输到另一个系统，不同的扩频码区分用户之间的数据。另一方面，该系统使用自身的信号回波来检测目标并实现雷达功能。b）基于OFDM技术的集成波形具有更好的低旁瓣特性、高多普勒容差和更高的信息传输能力。大多数研究集中在优化和改进模糊函数、自相关函数、峰均包络比和峰均功率比（PAPR）上。基于雷达波型技术：a）将信息嵌入到传统雷达波形将通信信息数据嵌入雷达波形的一种方法是主要引入雷达波形中的差异，并利用这些差异来调制通信信息

。一般是在雷达经典波形线性频率调制（LFM）信号的基础上设计的，使用脉冲起始频率、步进频率、相位、脉冲宽度等参数来表示通信信息的特征。对于脉冲LFM信号，波形参数可分为两种类型：脉冲间编码和脉冲内编码脉冲间编码通过初始频率、频率调整和脉冲重复间隔来实现。脉冲内编码将脉冲划分为子脉冲，并调制它们的幅度、相位或频率，是目前编码效率高、资源利用率高的主流方式。然而，通信调制往往会影响雷达探测性能。因此，必须设计调制方案以减轻对雷达检测性能的影响。b）指数调制技术指数调制技术是一种新型调制技术。在传统无线通信系统中，调制过程是将需要传输的所有信息反映到幅度或相位符号。相比之下，索引调制技术将信息位分为索引位和调制位。前者用于确定无线电资源的天线、副载波和扩频码中的某一部分被激活。后者通过传统调制映射到幅度或相位符号。双功能波形技术：a）最大化基于互信息的DFWT互信息（MI）是衡量传感性能的经典指标，它揭示了向接收器传输了多少有关信道和传输环境的信息。传统的传感互信息定义为传感通道和接收信号之间的熵。我们表示预先编码为X的最终传输信号。每个时隙多个天线发送一个矢量信号x，我们可以将多个连续时隙的发射信号堆叠成一个整体发射矩阵X。b）基于波形相似度的DFWT与直接进行数学分析的基于互信息的方法相比，基于波形相似性的设计代表了一个更具物理意义的方向。一些学者提出，在保证通信性能的情况下，可以优化传输波形，使其尽可能接近传统的传感波形[[]Z.Zhang,Q.Chang,F.LiuandS.Yang,"Dual-FunctionalRadar-CommunicationWaveformDesign:InterferenceReductionVersusEx-ploitation",

IEEECommunicationsLetters,vol.26,no.1,pp.148-152,Jan.2022.][]Z.Zhang,Q.Chang,F.LiuandS.Yang,"Dual-FunctionalRadar-CommunicationWaveformDesign:InterferenceReductionVersusEx-ploitation",

IEEECommunicationsLetters,vol.26,no.1,pp.148-152,Jan.2022.c）基于模拟阵列多波束优化的DFWT优化后的模拟阵列进行了物理设计，因此最终会形成一个在多个方向上具有能量的光束，以同时支持传感和通信。这类似于传统通信中的波束成形。对于原始信号s，通过波束成形矢量wT、信号x=wTs智能反射面RIS理论基础在智能无线电环境下，一个或多个可重构智能表面（RIS）可被用于对无线传播产生影响，从而有益于整个系统的性能。例如，借助波束成型提升接收功率，或者经由影响信道层级与条件序号推动空间多路复用。无源表面如果能动态重新配置以操控入射电磁波、改变信道条件变化，从根本上说就可被称为RIS。无论具体实现情况如何，这个定义都适用。学者们已经研究了两大实现途径。根据传统的反射阵列或者超表面。RIS无论以何种方式实现，都应处于被动状态，即它自身不产生能量，仅仅是用于传输波。在这一点上，RIS与反向散射技术存在相似性，和中继技术有所不同。在本节中，将详细介绍这些RIS的使用情况。1、利用反射面来达成：使用无源反射阵列是实现可重构智能表面最为简易的途径，其元件的天线端点能够以电子手段进行控制，从而对入射信号进行反向散射与相移。单个元件对传播波的影响相当微弱，但有足够数量的元件就能以可控的方式有效地操控入射波。要达成有效效果，这一实现或许需要大量的天线元件，可能达到数千个。在基于reflectarray的RIS里，每个元素都和反向散射通信系统中的标签类似。不过，有两大区别。首先，反射的作用是在反向散射通信里把信息从反射器传至接收器，而RIS只是用来辅助正在进行的传输，在RIS辅助通信场景中并不传递自身的信息。另一个是RIS的大小。尽管基于reflectarray的RIS中的单个元素和反向散射标签有相似之处，但RIS元素会依据传播环境知识，在很大范围内协同作业，从而对入射波产生更为显著的影响。RIS（可重构智能表面）基于reflectarray构建时，能够在通信端点可利用的有利之处提供强大的集中式模拟波束成形功能。这种情况还能够借助把复杂性转至RIS与控制器的方式来简化发射器和接收器。2、超表面的实现方式：超表面属于超材料，是其二维平面形式，超材料是一种人造合成材料，具备天然材料所不具备的电磁特性。有大量紧密排列、间距极小的深亚波长共振结构，这些结构被叫做像素或者超原子，它们共同组成了超表面。每个单独的结构以及相邻结构间的空间，其尺寸都远小于波长。这些原子彼此间的间距相对波长而言极小，并且数量众多，这就为纵入射的电磁波提供了许多自由度。尤其是，超表面经过对其超原子的精