基于空时分组编解码的协作式集成感知与通信系统研究报告
一、 研究作者、机构与发表信息
本研究的主要作者为Lin Wang（林旺），以及Zhiyong Feng（冯志勇）、Zhiqing Wei（魏志庆）、Xinyi Wang（王新一）、Dingyou Ma（马定宇）和Zesong Fei（费泽松）。作者主要来自两个机构：北京邮电大学信息与通信工程学院、教育部泛网无线通信重点实验室（Lin Wang, Zhiyong Feng, Zhiqing Wei, Dingyou Ma）以及北京理工大学信息与电子学院（Xinyi Wang, Zesong Fei）。该研究成果以学术论文的形式发表于国际知名期刊《IEEE Transactions on Mobile Computing》第25卷第7期，出版时间为2026年7月。论文的在线发表日期为2026年1月20日，最终版本于2026年6月5日发布。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于无线通信与雷达感知交叉领域——集成感知与通信（Integrated Sensing and Communication, ISAC）。随着低空经济的兴起，无人机（Uncrewed Aerial Vehicles, UAVs）数量激增，对有限的频谱资源和空域管理提出了严峻挑战。ISAC技术旨在利用同一硬件和频谱资源同时实现通信与感知功能，被认为是解决频谱拥堵、高效利用基础设施的关键技术。然而，单个基站的感知覆盖范围和能力有限，尤其难以有效监测位于蜂窝网络小区边缘的目标。
在此背景下，多基站（Base Station, BS）协作式ISAC系统应运而生，旨在通过多个基站协同工作，扩展感知范围，提升感知性能。但协作也带来了新的技术难题：当多个基站共享相同的时频资源进行感知时，基站间的相互干扰（特别是直射路径干扰和反射路径干扰）会严重影响系统性能，甚至使接收机模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC）过载。现有研究或未充分考虑此类干扰，或提出的解决方案（如基于精确先验信息的干扰抑制方法）在现实场景中鲁棒性不足。
因此，本研究的核心目标是：设计一个高效、实用的多基站协作ISAC系统，使其能够在共享相同时频资源的条件下，有效抑制基站间干扰，特别是直射干扰，并巧妙地将来自不同基站的反射信号（通常被视为干扰）分离并转化为有用的双基地感知信号，从而提升对小区边缘目标（如无人机）的检测与定位精度。研究旨在最小化对现有通信系统架构改动的前提下，实现通信与感知功能的时分复用，并验证所提方案的有效性。
三、 详细研究流程与方法
本研究是一项基于理论分析、算法设计与仿真验证的系统性工作，其核心流程与创新方法可概括为以下几个关键环节：
1. 系统模型与帧结构设计： 研究首先构建了一个由三个基站组成的协作ISAC系统模型，这些基站通过前传链路连接到同一个基带处理单元。为了与现有蜂窝网络（特别是5G NR）兼容，研究对标准5G NR帧结构进行了适配性修改，提出了时分ISAC帧结构。具体而言，在原有的下行通信符号中周期性地插入由四个OFDM符号组成的“感知段”，用于执行感知功能。通过利用时分双工（Time-Division Duplex, TDD）特性以及通信系统中已有的保护间隔（Guard Interval, GI）和定时提前（Timing Advance, TA）机制，确保了感知与通信功能之间无相互干扰。这种设计实现了对现有通信基础设施的最大化复用。
2. 鲁棒干扰置零波束赋形设计： 这是解决基站间直射路径（Line-of-Sight, LOS）干扰的关键步骤。LOS干扰功率远高于目标反射的回波信号，会淹没有用信号。传统的确定性干扰置零方法在波束图中针对特定角度生成零陷，但对角度估计误差非常敏感。本研究提出了一种鲁棒的干扰置零波束赋形方法。其核心思想不是在一个精确的角度点上置零，而是在干扰方向附近的一个角度区域内生成宽零陷。算法通过构建与干扰角度区域相关的阵列流形“准矩阵”，计算其协方差矩阵并进行特征值分解，将静态预编码向量投影到由小特征值对应的特征向量张成的零空间上，从而得到最终的发射预编码向量。这种方法牺牲了部分零陷深度（但仍能达到-80 dB），但显著拓宽了零陷宽度，使得在存在角度估计误差时，仍能有效抑制LOS干扰，防止ADC动态范围被超越。
3. 基于空时分组编解码的信号分离与感知： 这是将干扰转化为有用信号的核心创新。为了区分来自不同基站的叠加回波信号，研究设计了一种空时分组编解码方案。在发射端，三个基站使用特定的空时分组码对OFDM感知符号进行编码，生成彼此正交的发射信号序列。在接收端，每个基站不仅收到自身信号经目标反射的回波，还会收到来自其他两个基站的反射信号（被视为干扰）以及被抑制后的残余LOS干扰。通过对接收到的频域符号进行空时分组解码（一种线性处理），可以将混合的回波信号分离，分别提取出来自自身基站（单基地感知）和来自其他基站（双基地感知）的信号分量。理论分析表明，对于静止目标，解码可以实现信号的完美分离；对于运动目标，虽然会引入残余干扰，但只要多普勒频移远小于子载波间隔，影响甚微。分离后的信号可用于后续的感知参数估计。
4. 多基站感知数据融合与定位： 每个基站利用分离出的单基地和双基地回波信号，独立进行目标参数估计，包括角度（使用MUSIC算法）、距离（使用IFFT方法）和径向速度（使用MUSIC算法）。由于目标相对于不同基站的角度、距离以及雷达截面积（RCS）不同，各基站估计出的目标位置精度存在差异。研究提出了一种基于距离剖面信干噪比（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio, SINR）的数据级融合方法。具体而言，不是简单地对所有估计位置取平均（软融合），而是以每个估计结果所对应回波信号的距离剖面SINR作为权重，进行加权平均，得到最终的目标位置坐标。SINR越高，表明该路径的估计越可靠，权重越大。这种方法能更有效地利用高质量感知信息，提升整体定位精度。
5. 性能分析与仿真验证： 研究对所提方法进行了全面的理论性能分析和广泛的数值仿真。理论分析方面，推导了多基站协作下的目标检测概率、角度估计的克拉美-罗下界（Cramér-Rao Lower Bound, CRLB）以及空时分组解码的增益。仿真部分设置了符合3GPP标准的参数（如载频3.5 GHz，带宽100 MHz），在包含三个基站的蜂窝场景中，对位于小区边缘的移动无人机目标进行检测与参数估计。研究将所提方案与多种基准方案进行了对比，包括：单基站方案、采用正交时频资源的协作方案、采用传统最小二乘波束赋形的方案、采用特定角度置零的方案以及未进行信号分离的协作方案。仿真评估了波束图性能、干扰抑制比、检测概率、角度/距离/速度估计的均方根误差以及最终定位精度等关键指标。
四、 主要研究结果
1. 波束赋形与干扰抑制效果： 仿真结果表明，所提出的鲁棒干扰置零波束赋形方法成功在干扰方向附近生成了宽角度范围的零陷，深度达到-80 dB，足以有效抑制LOS干扰。相比之下，传统的最小二乘方法在干扰方向上有很高的增益；而仅在特定角度置零的方法虽然能产生极深的零陷（约-300 dB），但在存在仅0.3度的角度估计误差时，其干扰抑制性能急剧恶化。所提方法则展现了良好的鲁棒性，在角度误差下仍能保持较低的干扰信号功率比。
2. 目标检测与参数估计性能： * 检测概率：得益于多基站的空间分集增益（来自不同基站的回波信号在接收端功率叠加），所提协作方案的检测概率显著高于单基站方案，尤其在低虚警概率要求下优势明显。 * 角度估计：由于多个基站的回波信号从同一方向到达接收基站，其信号功率的非相干叠加提升了接收信噪比，因此所提方案的角度估计均方根误差低于单基站方案和采用正交资源的协作方案，且与理论推导的CRLB吻合。 * 距离与速度估计：所提方案通过空时分组解码分离信号，虽然会因目标运动引入少量残余干扰，但其距离和速度估计性能与采用正交时频资源（无干扰）的协作方案非常接近，远优于未进行信号分离的协作方案（后者因严重干扰导致性能很差）。这证明了所提信号分离方法的有效性。 * 距离剖面SINR：所提方案的SINR随发射功率线性增长，略低于无干扰的理想协作方案（由于残余干扰），但远高于存在未处理干扰的方案。
3. 多基站协作定位精度： 定位精度的对比是本研究的亮点。仿真显示： * 单基站定位：误差最大。 * 软融合（算术平均）：通过对三个基站的估计结果取平均，精度略有提升。 * 所提加权融合：以距离剖面SINR为权重的加权融合方法，将定位均方根误差比软融合和单基站方案降低了一个数量级，实现了米级精度的定位。 * 实际可行性验证：即使在考虑基站间存在时钟同步误差（建模为截断高斯分布，标准差10纳秒）的现实条件下，所提融合方法的定位性能仅有轻微下降，且仍然优于完美同步下的软融合方案，证明了该方案的实用性和鲁棒性。
五、 研究结论与价值
本研究成功设计并验证了一种基于空时分组编解码的多基站协作集成感知与通信系统。该系统通过创新的鲁棒波束赋形技术有效抑制了致命的基站间直射干扰；通过空时分组编解码技术，将原本有害的基站间反射干扰转化为有益的双基地感知信号，实现了在共享时频资源下的高效协作感知；最后通过基于SINR加权的数据融合方法，显著提升了目标定位精度。该方案对现有5G NR帧结构改动小，兼容性强，并充分考虑了实际部署中的时钟同步误差问题，具有良好的工程应用前景。
其科学价值在于为密集蜂窝网络下的协作ISAC提供了一套完整的干扰管理、信号分离与信息融合的理论框架和算法设计。应用价值则体现在为低空经济中无人机的广域、高精度、低时延监控提供了一种可行的技术解决方案，通过复用通信基础设施实现感知功能，具有成本效益高、易于部署的优势。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
论文还探讨了所提方案向更多基站（超过3个）扩展的通用性，指出可以利用Hurwitz-Radon矩阵族通过广义空时分组编码生成正交信号。此外，研究指出空时分组编解码具有线性处理、可扩展至多基站、并能利用通信载荷生成正交序列等特点，在同时实现协作通信与协作感知方面具有巨大潜力。同时，论文也坦承了当前方案的局限性，即对于高速运动目标，时变的感知信道会破坏信号正交性，未来需要进一步改进以适应高速场景。