整合感測與通訊系統中用於多目標偵測和多用戶通訊的聯合波束賦形

核心概念

本文提出了一種針對整合感測與通訊（ISAC）系統的聯合波束賦形方案，該方案在確保多用戶通訊效能的同時，最大限度地提高了最弱目標的偵測機率，從而實現更穩健的多目標偵測。

摘要

整合感測與通訊系統中用於多目標偵測和多用戶通訊的聯合波束賦形

本研究旨在解決整合感測與通訊（ISAC）系統中，如何在確保多用戶通訊效能的同時，提升系統對多目標，特別是弱目標的偵測效能。

本文提出了一種聯合波束賦形方案，將其制定為一個最大-最小化問題，目標是在滿足多用戶通訊訊號干擾雜訊比（SINR）約束條件下，最大化最弱目標的偵測機率。
為了求解這個複雜的非凸優化問題，本文開發了一種交替優化（AO）演算法，以獲得聯合波束賦形器。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Joint Beamforming for Multi-target Detection and Multi-user Communication in ISAC Systems

by Zongyao Zhao... 於 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00433.pdf

深入探究

在更複雜的環境中，例如存在多徑效應或雜訊干擾時，該聯合波束賦形方案如何確保其效能？

在多徑效應或雜訊干擾等更複雜的環境中，文中提出的聯合波束賦形方案需要進行一些改進才能確保其效能。以下是一些可行的方向：

**多徑效應：**多徑效應會導致接收訊號產生衰落和延遲，進而影響目標偵測和通訊效能。為了解決這個問題，可以考慮以下方法：

通道估計與補償： 透過精確估計通道狀態資訊，並利用波束賦形技術對多徑通道進行預編碼，可以有效地減輕多徑效應的影響。
時域處理： 利用時域處理技術，例如正交分頻多工（OFDM）或單載波頻域等化（SC-FDE），可以將多徑通道轉換為多個平坦衰落通道，進而簡化接收端的處理。
空間分集： 利用多天線技術，例如最大比合併（MRC）或空時編碼（STC），可以有效地提高接收訊號的信噪比，進而提升系統在多徑環境下的效能。

雜訊干擾： 雜訊干擾會降低接收訊號的信噪比，進而影響目標偵測和通訊效能。為了解決這個問題，可以考慮以下方法：

雜訊抑制： 利用雜訊抑制技術，例如最小均方誤差（MMSE）或自適應雜訊消除（ANC），可以有效地抑制接收訊號中的雜訊成分。
波束賦形： 透過波束賦形技術，可以將發射能量集中在目標方向，同時抑制來自干擾源的訊號，進而提高接收訊號的信干噪比（SINR）。
魯棒性設計： 在設計波束賦形方案時，可以考慮雜訊和干擾的不確定性，採用魯棒性設計方法，例如最壞情況性能優化或概率約束優化，以確保系統在不同雜訊和干擾環境下都能保持一定的效能。
需要注意的是，上述方法可能會增加系統的複雜度和計算量。因此，在實際應用中，需要根據具體的環境和需求，選擇合適的方法來平衡系統效能和複雜度。

如果弱目標的數量增加，該方案是否仍然能夠有效地提高其偵測機率？

當弱目標數量增加時，該方案在提高弱目標偵測機率方面會面臨更大的挑戰，其有效性取決於多個因素：

弱目標的分佈： 如果弱目標集中在某些特定區域，則該方案可以透過調整波束方向圖，將更多能量集中在這些區域，從而有效地提高弱目標的偵測機率。但如果弱目標分佈較為分散，則該方案的效能可能會有所下降。
系統資源限制： 隨著弱目標數量的增加，系統需要分配更多的資源來偵測這些目標，例如發射功率、時間資源或頻譜資源等。如果系統資源有限，則該方案可能無法同時滿足所有弱目標的偵測需求。
目標間的干擾： 當弱目標數量增加時，目標間的相互干擾也會隨之增加，這會影響弱目標的偵測效能。該方案需要考慮目標間的干擾，並採用適當的技術來減輕干擾的影響，例如波束賦形、正交編碼或干擾消除等。
總體而言，當弱目標數量增加時，該方案需要進行相應的調整和優化才能保持其有效性。以下是一些可能的改進方向：

多波束技術： 採用多波束技術可以同時偵測多個目標，並降低目標間的干擾。
稀疏陣列技術： 稀疏陣列技術可以使用較少的陣元實現較高的波束賦形增益，從而提高系統對弱目標的偵測能力。
認知無線電技術： 認知無線電技術可以動態地感知周圍環境，並根據環境變化調整系統參數，例如發射功率、頻譜資源或波束方向圖等，從而提高系統在複雜環境下的適應性和效能。

該研究成果如何應用於其他需要同時進行感測和通訊的領域，例如物聯網或無人機？

該研究提出的聯合波束賦形方案，針對提升弱目標偵測性能進行了優化，在需要同時進行感測和通訊的物聯網或無人機領域具有廣泛的應用前景：
物聯網 (IoT):

智慧交通： 搭載 ISAC 功能的道路基礎設施可以同時與車聯網設備通訊，並偵測道路上的弱勢用路人，例如行人、腳踏車騎士等，提升道路安全。
環境監測： 部署在森林或山區的感測器網路可以透過 ISAC 技術，將收集到的環境數據（例如溫度、濕度、空氣品質等）回傳至控制中心，同時偵測森林火災或山崩等潛在危險。
智慧農業： 安裝在農田中的感測器可以透過 ISAC 技術，將土壤和作物生長數據回傳至農民，同時偵測病蟲害或灌溉需求。
無人機 (UAV):

無人機群協作： 無人機群可以透過 ISAC 技術，彼此通訊並共享感測數據，例如目標位置、環境資訊等，實現更複雜的任務，例如搜索和救援、環境監測或基礎設施檢查等。
無人機通訊中繼： 搭載 ISAC 功能的無人機可以作為空中通訊中繼站，為地面設備提供更廣泛的通訊覆蓋範圍，同時偵測周圍環境，例如障礙物、惡劣天氣或其他飛行器等。
無人機遙感探測： 搭載 ISAC 功能的無人機可以利用雷達進行遙感探測，例如地形測繪、環境監測或目標偵察等，同時將收集到的數據回傳至地面控制站。
總之，該研究成果在物聯網和無人機領域具有廣泛的應用前景，可以有效提升系統性能，並拓展其應用範圍。隨著 ISAC 技術的發展，相信未來會有更多創新應用出現。