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关于一种用于通感一体化系统的底层感知导频信号的研究报告
一、 研究作者、机构及发表信息
本研究的主要作者为袁朴（Pu Yuan）、刘浩（Hao Liu）、谭俊杰（Junjie Tan）、蒋大杰（Dajie Jiang），均来自vivo移动通信有限公司（vivo mobile communications co.,ltd., beijing, china）。合作作者闫磊（Lei Yan）来自东北大学（Northeastern University, Qinhuangdao, China）。
该研究以论文形式发表于2023年7月11日至14日在中国秦皇岛举行的“第13届IEEE自动化、控制与智能系统网络技术国际会议”（Proceedings of 13th IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems）。论文标题为《用于通感一体化的底层感知导频信号》（Underlaid Sensing Pilot for Integrated Sensing and Communications）。
二、 研究学术背景
本研究隶属于无线通信与雷达感知交叉的前沿领域——通感一体化（Integrated Sensing and Communications， ISAC）。通感一体化旨在设计统一的信号波形和系统架构，使得无线网络能够同时高效地完成通信（传输数据）和感知（探测目标、估计距离、速度、角度等）两大功能，从而提升频谱、硬件和功率资源的利用率，是未来6G及以后移动通信系统的关键技术之一。
在通感一体化系统中，感知信号的嵌入方式主要分为两类：基于数据的感知和基于导频的感知。基于导频的感知在多用户系统中通常表现出更好的抗干扰能力。传统的导频感知方案通常采用频分复用（FDM）或时分复用（TDM）的方式将感知导频信号与通信数据信号在时频资源上进行隔离。然而，这种方式会占用额外的时频资源，可能影响通信系统的资源分配效率和帧结构。
针对上述背景与挑战，本研究旨在提出一种新颖的感知导频设计。其核心目标在于：设计一种能够与正交频分复用（OFDM）通信数据共享相同时间-频率（Time-Frequency， TF）资源的感知导频信号，即“底层”（Underlaid）导频。该设计需满足以下要求：1）不破坏现有OFDM系统的帧结构和参数配置，具有良好的可扩展性和灵活性；2）感知导频本身具有良好的自相关和与数据的互相关特性，以便于实现低复杂度的感知检测；3）在通信接收端，能够有效消除或利用感知导频带来的干扰，保证通信性能不受显著影响。
三、 研究详细工作流程
本研究的工作流程主要围绕信号设计、系统建模、接收机处理算法及性能分析四个核心环节展开，具体步骤如下：
1. 感知导频信号设计与特性分析： 研究首先在时延-多普勒（Delay-Doppler， DD）平面进行二维（2D）导频信号的设计。设计灵感来源于DD域信道对信号的作用遵循一种“扭曲卷积”（Twisted Convolution）机制。为了利用这一特性进行感知检测，设计的2D导频P需要具备以下关键属性：良好的二维自相关特性（与其自身的循环移位版本相关性强）、与数据信号良好的互相关特性（相关性弱）、以及可接受的峰均功率比（PAPR）。
研究者提出，可以利用两个具备良好自相关和互相关特性的序列a和b，通过克罗内克积（Kronecker Product）或矩阵相乘的方式生成2D导频矩阵 P = a ⊗ b。论文中的命题1（Proposition 1） 严格证明了由此生成的2D导频P与其循环移位版本P^([q,p])之间的内积特性：只有当循环移位量完全匹配时，内积值最大（为1）；否则，内积值很小（由ε_p, ε_q等小值控制）。这一数学特性是后续实现高效、可靠的二维相关检测算法的理论基础。
2. 通感一体化信号生成（发射机设计）： 研究考虑一个包含M个子载波和N个OFDM符号的帧结构。设计的DD域2D导频矩阵P通过逆辛有限傅里叶变换（ISFFT）转换到TF域。关键创新步骤在于：转换后的TF域导频信号并不独占资源，而是直接与OFDM通信数据符号矩阵D在TF域进行叠加（相加），形成复合发射信号X = F_M * P * F_N^H + D，其中F_M是M点DFT矩阵。这个过程如图1所示，感知导频“底层”叠加在数据之上，共享相同的时频资源，类似于码分复用（CDM）。
随后，复合的TF域信号经过常规的OFDM调制流程（IFFT、加循环前缀CP、脉冲成形等）转换为时域信号进行发射。这一设计确保了感知导频的引入完全兼容现有的OFDM通信系统框架，无需改变其 numerology（如子载波间隔、符号长度等）和资源分配方式。
3. 感知与通信接收机处理算法： 接收机处理分为并行的感知检测和通信数据恢复两条路径。
感知检测算法（算法1）： 在感知接收端，接收到的信号经过同步、去CP、FFT/SFFT等处理后，被转换到DD域，得到接收信号矩阵r。感知的目标是检测出多个反射路径（对应多个目标）的时延（τ）和多普勒频移（ν）。基于命题1揭示的导频特性，研究者提出了一种基于二维相关匹配的低复杂度检测算法。 算法核心流程如下：对于所有可能的时延索引l（对应距离）和多普勒索引k（对应速度）组合，算法生成一个本地参考矩阵，该矩阵是原始导频P经过相应（k, l）循环移位并可能进行相位补偿（ξ_
通信接收机算法（算法2）： 在通信接收端，核心挑战在于如何消除底层感知导频对数据检测造成的干扰。研究提出了一个两阶段的处理方案： 第一阶段：信道估计。传统OFDM系统使用梳状参考信号（RS）进行信道估计。在本方案中，感知导频在已知其位置（可作为先验信息提供给通信接收机）的前提下，可以与原有的RS联合用于信道估计。具体而言，在RS所在的时频资源格（Resource Element， RE）上，将感知导频的值加到原有的RS上，形成一个“等效RS”（Equivalent RS）。利用这个增强的等效RS进行最小二乘（LS）信道估计，可以获得更准确的信道状态信息（CSI），因为感知导频的功率被有效利用而非视为干扰。 第二阶段：符号检测与干扰消除。在获得信道估计H_tf后，首先从接收到的TF域信号y中减去经过信道影响的感知导频成分（即 H_tf 与导频的乘积），从而主动消除感知信号带来的干扰。然后，对消除干扰后的信号进行常规的单抽头均衡（如MMSE均衡），最终恢复出发送的通信数据符号D。
4. 性能分析： 研究从理论和仿真两个维度对系统性能进行了分析。 * 理论分析（感知信干噪比SINR）：论文推导了感知检测输出的信干噪比（SINR）表达式。SINR主要受三部分影响：期望路径的信号功率、其他路径感知导频的干扰（自干扰）、叠加的数据信号的干扰以及噪声。分析指出，由于导频良好的自相关和与数据的互相关特性，自干扰和数据干扰项（ρ_0i, ς_0i）的值通常很小。更重要的是，感知SINR随着导频尺寸（M×N）的增大而提升。这意味着可以通过灵活扩展导频在时频域占据的规模（例如，跨越多个OFDM符号和子带）来满足不同精度和范围的感知需求，体现了设计的可扩展性。 * 分数多普勒细化：算法1最初只能检测整数倍的多普勒和时延分辨率。论文分析了当目标具有分数多普勒（即速度不是分辨率整数倍）时，相关峰值功率会泄漏到相邻的整数网格上。基于此现象，提出了一种简单的线性插值细化方法：利用检测到的峰值及其相邻网格的功率值进行加权平均，从而估计出更精确的分数多普勒值，提升了感知精度。
四、 研究主要结果
研究通过数值仿真，从通信和感知两个方面验证了所提方案的有效性。系统参数设置如表I所示，感知导频与数据信号的功率比为1:5。
1. 通信性能结果： * 误码率（BER）性能：图4展示了在3GPP EVA信道模型、用户速度30km/h、16QAM调制、LDPC编码条件下的BER曲线。在拥有完美信道状态信息（Perfect CSI）的理想情况下（图4a），带有底层感知导频的OFDM（SPU-OFDM）与纯OFDM系统的性能几乎完全相同，即使在高达26dB的高信噪比下也仅有微小差异。在使用估计CSI的实际情况下（图4b），SPU-OFDM的性能由于信道估计误差和干扰消除残余，比纯OFDM略有下降，但在整个SNR范围内仍然保持可接受的性能损失。 * 信道估计误差：图5对比了不同方案下的信道估计归一化均方误差（NMSE）。关键结果是：采用“等效RS”（即联合利用原始RS和感知导频进行估计）的SPU-OFDM方案，其NMSE性能（洋红色虚线）与纯OFDM方案（青色实线）几乎重合，差异可忽略不计。这证明所提出的联合信道估计方法有效利用了感知导频功率，完全抵消了其对信道估计精度的负面影响。反之，如果忽略感知导频（即不将其视为等效RS的一部分），则估计误差（蓝色虚线）会显著恶化。
2. 感知性能结果： * 导频特性验证：图2通过互补累积分布函数（CCDF）展示了不同尺寸（M=N=15, 63, 255）下2D导频的相关特性。蓝色曲线（导频自相关）始终在归一化值1处，验证了其理想的自相关峰值。红色（导频与数据互相关）和橙色（导频与噪声互相关）曲线分布类似，且随着导频尺寸增大，其分布越来越集中于接近0的小值区域。这从实验上支持了理论分析：数据信号和噪声对感知检测的干扰很小，且可通过增大导频尺寸进一步抑制。 * 多普勒估计误差：图6展示了在三个目标、最大速度500km/h、存在分数多普勒的场景下，多普勒估计误差随信噪比变化的曲线。核心结论有两点：第一，增大导频尺寸（N从64增加到512）能显著降低估计误差。当N=64或128时，在低信噪比区域误差较大；当N增大到256和512时，性能得到极大改善，且两者在误差水平上接近。这直接验证了“感知SINR随导频尺寸增大而提升”的理论分析。第二，采用分数多普勒细化算法（实线）相比仅使用整数估计（虚线），在所有导频尺寸下都能一致地提升估计精度。
这些结果共同表明：所提出的底层感知导频方案，在仅从数据信号中分出一小部分功率（20%）用于感知的前提下，能够实现有效的多目标感知（检测距离和速度），同时通过合理的接收机处理，对现有OFDM通信系统的性能影响甚微。
五、 研究结论与价值
本研究提出并深入分析了一种用于OFDM通感一体化系统的底层二维感知导频设计方案。主要结论是：该设计能够在不改变现有OFDM通信系统帧结构和资源分配的前提下，将感知导频以“底层叠加”的方式与通信数据共享时频资源，实现了通信与感知的资源高效共享。
研究的科学价值与应用价值体现在： 1. 方法论创新：提出了一种基于DD域设计、通过CDM-like方式在TF域实现资源复用的新型ISAC信号设计范式，突破了传统FDM/TDM的资源隔离思路。 2. 高性能与低复杂度：利用2D导频的优良相关特性，实现了仅需二维相关运算的低复杂度感知检测算法，计算效率高。 3. 高灵活性与可扩展性：感知导频的尺寸（M， N）可根据感知的距离/速度分辨率、覆盖范围等需求灵活缩放，系统兼容性强。 4. 通信感知性能平衡：通过“等效RS”信道估计和主动干扰消除技术，在接收端有效管理了感知信号对通信的干扰，使通信性能得以保障。 5. 实用前景：该方案与主流OFDM通信系统（如4G/5G NR）高度兼容，为未来移动通信网络（如6G）平滑引入通感一体化功能提供了一种高效、稳健且易于部署的技术路径。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
论文还对分数时延/多普勒的细化处理进行了探讨，提出了基于峰值功率加权的线性插值方法，提升了感知参数估计的精度，这对于高精度感知应用（如自动驾驶、高分辨率成像）具有重要意义。此外，研究在讨论中简要提及了该框架支持多天线端口的潜力，可以通过为不同天线设计不同的导频层（多分层）来实现角度到达（AoA）/角度出发（AOD）估计，从而扩展至三维（距离-速度-角度）感知，展现了该设计框架良好的扩展性和应用前景。