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基于聚类算法、适用于多径环境的商用OFDM-ISAC系统
摘要
集成感知与通信（ISAC）技术因能通过共享无线资源和信号波形同时实现感知、定位与通信，提升频谱和成本效率而备受关注；正交频分复用（OFDM）则凭借抗多径衰落的鲁棒性和对高速率数据的良好支持，仍是下一代移动通信系统的核心技术。本文提出一种全新的基于正交序列（OS）的OFDM-ISAC技术，该技术与传统基于OFDM的通信系统完全兼容，巧妙利用正交序列的自相关特性和索引调制的频谱效率，并融合聚类算法解决多径环境下的技术难题。大量计算机仿真验证，即便在无视线（LOS）链路的情况下，该OFDM-ISAC系统仍能在实际多径环境中实现可靠的通信和定位性能。
引言
2023年国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）会议发布了IMT-2030框架，明确了下一代移动通信系统的应用场景和关键性能指标，集成感知与通信（ISAC）系统成为6G移动通信的核心应用场景之一。该系统可在同一频段和硬件中同时支持通信与感知功能，通过通信信号实现目标检测和定位，或借助雷达信号传输信息。
现有研究虽提出了多种OFDM-ISAC相关技术，如联合子载波功率分配、串行干扰消除、发射波束成形等，但传统ISAC系统常面临与传统通信系统的兼容问题，或需额外接收结构才能同时实现通信和感知。同时，OFDM作为下一代通信核心技术，为高频段ISAC服务部署创造了新机遇，相关研究也尝试将感知功能融入传统OFDM系统，却多依赖视线链路，在高频段通信环境中难以实现。
为此，本文提出一种新型OFDM-ISAC系统，可在单用户设备与基站的上行通信过程中，通过单一信号波形同时实现数据检测和用户定位，且无需视线链路。该系统采用正交序列的索引调制方式，基站利用多天线和正交序列自相关特性完成测向和测距，并融合基于密度的聚类算法提升性能，最终通过误码率（BER）和均方根误差（RMSE）验证了系统的通信和定位表现。
方法简介
本文设计的OFDM-ISAC系统为上行通信架构，由配备均匀线性阵列（ULA）多天线的基站和单天线用户设备（UE）组成，采用无视线链路的本地散射信道模型，仅考虑多径信号和外部干扰。核心方法围绕正交序列（OS）展开，结合索引调制、多天线信号处理和DBSCAN密度聚类算法，实现通信与定位一体化，整体流程和关键技术如下：
- 1
- 正交序列与索引调制设计：将原始正交序列循环移位生成候选序列，把信息比特映射到候选序列索引，实现比特到正交序列的转换；经DFT、IFFT、插入循环前缀（CP）等OFDM标准处理后，由用户设备发送信号，基站完成CP去除、FFT等接收预处理。
- 2
- 序列检测与解调：基站计算接收信号与正交序列的相关值，找到最大相关值对应的索引，结合多天线空间分集，以各天线检测结果的众数作为最终序列索引，完成比特解调，实现通信功能。
- 3
- 距离与方向估计：基于最大相关值索引与检测序列索引的差值，计算用户与基站的距离；利用阵列天线相关法，通过解扩信号与空间字典的相关运算，估计信号到达角（AoA），完成初步定位。
- 4
- DBSCAN聚类提升定位精度：针对无视线链路的多径和干扰问题，收集估计的距离、到达角和信号功率作为特征，经数据归一化和功率阈值筛选后，采用DBSCAN密度聚类算法将有效信号特征聚为一类，干扰特征归为噪声；以聚类结果中最小距离为最终测距值，聚类到达角的平均值为最终测向值，实现高精度定位。
系统通过MATLAB仿真验证，选用ZC序列、m序列、Gold序列三种正交序列，设置6比特索引调制、本地散射多径（含20%外部干扰）等仿真条件，分析不同序列的通信性能和不同系统带宽的定位性能。
结论
本文提出了一种可同时实现通信和无线定位的正交频分复用集成感知与通信（OFDM-ISAC）系统，该系统融合索引调制和正交序列的自相关特性，即便在无视线（LOS）链路的环境中也能有效工作。计算机仿真结果表明，该OFDM-ISAC系统与传统OFDM通信系统完全兼容，且在通信和感知任务中均能保证稳健的性能。
后续研究计划将该系统扩展至多用户或移动用户场景，进一步分析其在复杂场景下的性能表现，为6G通信中ISAC技术的实际应用提供更全面的技术支撑。