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摘要
下一代无线系统将提供集成传感和通信（ISAC）功能，不仅是为了实现新的应用，而且也是缓解诸如双色散信道等挑战的一种手段，这些挑战出现在高移动性场景和/或毫米波（mmWave）和太赫兹（THz）频段。一个新兴的方法来实现这些目标是新的波形的设计，它从双色散性质的时变（TV）信道和环境特征的散射体表现在多径延迟和多普勒频移的形式之间的内在关系。这种波形的示例是延迟-多普勒域正交时间频率空间（OTFS）和最近提出的线性调频域仿射频分复用（AFDM），这两者都寻求同时对抗双选择性的有害影响并将它们用于环境信息的估计（或感测）。本文旨在提供一个综合而全面的概述，介绍在超五代（B5 G）/六代（6 G）系统中支持双色散信道上可靠ISAC所需的信号处理技术，重点介绍OTFS和AFDM波形，因为这些波形与传统的正交频分复用（OFDM）波形一起足以详细说明这一趋势的最相关特性。分析表明，与OFDM相比，OTFS和AFDM确实能够显著提高对由多普勒频移引起的载波间干扰（ICI）的鲁棒性。此外，发现OTFS和AFDM有效信道的固有延迟-多普勒域正交性为集成感测功能的设计和性能提供了显著的优势。
引言
预计超过第五代（B5 G）和第六代（6 G）无线系统将采用极高频（EHF）技术，在毫米波（mmWave）和太赫兹（THz）频段[1]中工作，作为支持物联网（IoT），边缘计算和智能城市等应用的手段[2]。以及车联网（V2X）、高速铁路和非地面网络（NTN）等场景，这些场景通常会受到异构和高移动性条件的影响[3]。众所周知，高移动性场景会对无线通信系统构成重大挑战，因为由此产生的双分散无线信道也称为时变（TV）多径或时频选择性[4]。这种异构散射环境会以路径延迟和多普勒频移的形式使接收信号恶化，导致符号间干扰（ISI）和载波间干扰（ICI），这会大大降低传统高效调制方案（例如正交频分复用）下的通信性能（OFDM）[5]。伴随着这一挑战，人们越来越期望B5 G和6 G系统将提供集成传感和通信（ISAC）功能，可能具有统一的硬件和信号处理技术[6]。除了提供环境感知和准确/可靠的定位信息以服务于上述应用之外，ISAC引入的增强功能对于提高频谱和能源效率以及降低在高移动性场景中操作的系统的硬件成本是至关重要的[3]。
伴随着这一挑战，人们越来越期望B5 G和6 G系统将提供集成传感和通信（ISAC）功能，可能具有统一的硬件和信号处理技术[6]。除了提供环境感知和准确/可靠的定位信息以服务于上述应用之外，ISAC引入的增强功能对于提高频谱和能源效率以及降低在高移动性场景中操作的系统的硬件成本是至关重要的[3]。
虽然很难预见即将到来的几代/标准中的哪一代，即，B5 G或6 G-将看到ISAC被采用并实施到商业系统中，该主题是近年来无线系统标准化前论坛中讨论最激烈的话题之一，其中值得注意的例子是6 G智能网络和服务行业协会（6 G-IA），其中ISAC已被确定为其成员的优先技术，以及5G汽车协会（5GAA）。其中ISAC被认为是Cellular-V2X（C-V2X）服务的支持技术。尽管可以合理地预期，任何形式的实际部署的基于5G的ISAC都可能利用OFDM，更具体地说，利用循环前缀（CP）-OFDM和DFT扩展OFDM（DFT-s-OFDM），但是对于6 G，新的波形，诸如正交时频空间（OTFS）和仿射频分复用（AFDM），应该考虑充分发挥ISAC的潜力，这将在本文中进行研究。事实上，为全球移动的宽带系统制定技术规范的欧洲电信标准协会（ETSI）和第三代合作伙伴计划（3GPP）等重要标准化机构最近都将ISAC加入了其工作计划和路线图，ETSI于2023年11月成立了一个专门负责ISAC的新小组。
根据这种趋势，最近已经提出了新颖的波形，由于它们在双色散条件下保持符号正交性的能力，它们对高移动性是鲁棒的并且对于ISAC是有利的，因为它们固有地使得能够估计环境参数，诸如散射体对象的距离和速度（即，延迟和多普勒频移）。最流行的方法之一是OTFS信令[7]，其利用逆辛有限傅立叶变换（ISFFT）以便直接在延迟-多普勒域中调制信息符号的二维（2D）网格，由于其与当前使用的波形（例如OFDM）相比的上级性能而获得了高移动性B5 G系统的极大关注[8]。
事实上，容易示出OTFS中的信道的全延迟-多普勒表示固有地以相应的多径延迟和多普勒频移的形式传达散射体的速度和范围信息，从而意味着在ISAC方面的显著益处。因此，已经提出了大量基于OTFS的ISAC技术，以直接从信道状态信息（CSI）中提取可解析路径的延迟和多普勒参数，这已经被证明与OFDM和调频连续波（FMCW）雷达的感测性能竞争，对移动性和可实现的容量具有更高的鲁棒性[9]。
寻求减轻后一个缺点的更近期的想法是AFDM波形[11]，其利用离散仿射傅立叶逆变换（IDAFT）[12]以便将信息符号调制到扭曲的时间-频率域中，从而产生期望的延迟-多普勒正交性，同时保持必要的灵活性。AFDM的可优化参数化还伴随着其他期望的属性，例如全分集保证和增加的吞吐量[11]，使AFDM成为B5 G和6 G系统的ISAC使能波形的强有力候选者。
本文旨在全面分析ISAC技术在异构高移动性场景中的基本原理和未来，以全面比较突出的候选波形的形式，重点关注OTFS和AFDM。分析表明，OTFS和AFDM的新型延迟多普勒正交设计有利于通信和传感功能的信号处理，提倡两者的集成。这些见解可能不仅对学术界，而且对越来越多地参与未来几代移动的宽带系统开发的各个垂直行业的标准化工程师都具有重大的兴趣和价值。
双色散信道的信号处理基础
图2提供了总结各种信号域之间的关系的图，包括必要的线性变换的方向和积分域。具体地，图的中心处的菱形关系示出了如上所述的双色散信道的不同域表示，其还包括多普勒频域中的省略的多普勒变化传递函数（DVTF）6。
图2：不同信号域和固有变换之间的关系的图示。除了所示的域之外，还存在时频域的特殊情况，即线性调频域，其在该图中被省略，但在以下部分中详细描述。
下一代波形的信号模型
在本节中，我们提供了信号模型和发射机结构的各种波形提出的高性能的双色散信道。首先，OFDM波形被描述为参考，接着是下一代波形候选，即OTFS和AFDM，以及可以与后者相关的各种衍生波形11。
图3：具有P = 3个可分辨路径（每个以不同颜色描绘）的双色散信道中的不同波形的有效信道矩阵结构，具有对应的归一化延迟fp和归一化数字多普勒频移fp。对于OFDM和AFDM，系统大小参数为N = 36，对于OTFS，系统大小参数为K = 6，L = 6。分数多普勒情况下的衰落颜色对应于元素的幅度，而较暗的颜色对应于较大的功率。幅值低于1/2N的通道分量被视为可忽略不计，图中未显示。
相关的下一代波形
在本节中，我们将简要讨论各种波形，如图4所示，并在图5中按时间顺序排列，这些波形与上述OFDM、OTFS和AFDM相关，也可能是支持B5 G/6 G系统中的ISAC的潜在候选波形。但是，由于篇幅所限，讨论将继续进行定性比较，详见第三.
1)中间线性调频域波形：也存在一些线性调频域波形，其与OFDM和AFDM共同，旨在正交化延迟和多普勒频移指数。包括正交线性调频分复用（OCDM）[10]和DAFT-OFDM [21]的这种波形可以被视为AFDM的特殊情况，具有非理想和简化的线性调频频率c1和c2 [11]，根据双色散信道分布，自然表现出相等或更差的性能。
2)增强的延迟-多普勒波形：各种方法采用OTFS的新颖的延迟-多普勒信号表示，并且已经提出了增强的延迟-多普勒域波形。示例是超越旋转OTFS（T-OTFS）[22]，其经由相位旋转预编码器最大化OTFS的渐近分集;正交时间序列调制（OTSM）调制[23]，其寻求通过利用新型域变换来降低实现复杂度;和正交延迟多普勒复用（OTDM）[24]，其通过优化的脉冲整形滤波器来改进OTFS，该优化的脉冲整形滤波器产生相对于延迟-多普勒平面分辨率正交的可行脉冲。
3)基于滤波器组的（脉冲整形）波形：最后，各种多载波技术利用优化的脉冲整形滤波器组，例如滤波器组多载波（FBMC）[25]和广义频分复用（GFDM）[26]，其改善了带外（OOB）发射、频谱效率、ISI，和ICI问题的OFDM通过鲁棒自适应的子载波和调制脉冲的双色散信道统计。
图4：下一代波形与其信号域之间的关系图。
图5：时间轴突出显示了各种波形的发明以及标准化中的关键日期。
使用新一代波形的集成传感和通信（ISAC）
在ISAC中，无线“感测”指的是利用受信道条件影响的无线电信号中固有地嵌入的关于周围环境的丰富信息的能力。利用单一波形16的ISAC技术可分为以下两类：a）以通信为中心的设计-旨在通过主要通信波形（OFDM、OTFS、AFDM等）实现传感功能。通过从接收信号中提取环境/目标信息; B）以雷达为中心的设计--旨在通过主要雷达波形（脉冲、FMCW等）实现通信功能。通过将信息嵌入到调制信号中，或者通过双功能联合设计，其目的在于经由新颖设计的波形来实现两种功能，该新颖设计的波形并不特定于ISAC功能中的任一个。本文在双色散信道中研究了以通信为中心的设计方法.利用上述OFDM、OTFS和AFDM通信波形来实现感测功能。
然后，与成熟的雷达技术[27]进行比较，可以识别两种不同类型的传感问题，即：1）检测问题（DP），其涉及从背景杂波中分辨出感兴趣的唯一散射点（目标）的数量，以及2）估计问题（EP），其涉及提取诸如距离，速度，以及与目标相关联的方位。这样的感测场景可以被分类为单基地，其中感测接收器与发射器共置，或者双基地，其中感测接收器在空间上远离发射器17。
在图6中示出了具有单个环境散射体的发射器和接收器之间的示例性ISAC场景，其中可以观察到对应于ISAC功能和感测位置的三个子场景。也就是说，在散射环境的相同双色散信道上，在ISAC发射器和ISAC接收器之间存在通信和双基地感测子系统，并且对于ISAC发射器仅存在单基地感测子系统。
图6：ISAC系统中涉及的通信和感测场景的图示。
以关键绩效指标（KPI）为中心的比较分析
鉴于上述所有情况，我们最终提供了OFDM，OTFS和AFDM的定性比较-分别代表B5 G/6 G系统的经典，SotA和最新的替代方案-ISAC友好波形。为此，我们考虑各种相关的KPI的通信和传感，功能，无论是在功能和实施方面。还包括GFDM和FMCW波形以分别用于通信和雷达感测性能的比较。
结果见表一，虽然由于篇幅限制，无法详细说明所有比较点，但我们简要阐述了一些最重要的选定关键绩效指标。特别地，也许双色散信道中最重要的通信KPI是多普勒频移鲁棒性，即，- 对高移动性和EHF条件的兼容性，由于固有的延迟-多普勒域正交性，这仅由OTFS和AFDM波形获得。在这方面，值得注意的是，OTFS仅在收敛到一阶渐近分集的有限信噪比（SNR）机制中实现全分集[22]，而AFDM通常提供有保证的全分集[11]，并且还已知是也在MIMO场景中实现全分集的唯一多普勒稳健波形。另一方面，由于它们的基本根源是OFDM，AFDM和GFDM两者也遭受较高的峰均功率比（PAPR），而OTFS由于时频域中的符号功率的基于DFT的扩展而享有低PAPR。这一优势与实现成本和硬件稳定性密切相关，特别是与功率放大器（PA）和射频（RF）组件效率相关，这在大规模MIMO场景中变得更加突出。
需要考虑的另一个重要点是计算复杂度，这与各种信号处理过程（例如调制和信道估计）有关。在这方面，虽然OTFS和AFDM都可以被解释为用于OFDM发射机的修改的预编码方案，使得核心OFDM调制器可以被重用，但是一维（1D）AFDM调制器表现出比2D OTFS调制器更高的效率。在计算复杂度和所需的导频开销方面，波形的这种降低的维度也示出了用于信道估计的类似优点。
表一：各种波形及其ISAC关键绩效指标的比较表，定性测量：高、中、低。每个单元格的颜色对应于相对性能测量，范围从表示有吸引力的性能的绿色、黄色到表示较低性能的红色。
在目标感测性能方面，OTFS和AFDM在OFDM的多普勒域模糊度方面表现出显著的改善，但是这样的方法受到限制，因为它们没有像FMCW波形那样针对相关性进行优化。因此，利用波形离散延迟-多普勒域的超分辨率方法和网格估计方法，在充分参数化（例如载波频率和符号）的情况下，与汽车雷达中常用的FMCW相比，可以实现极高的分辨率。周期。
通信和感测性能两者中的上述属性必须被满足并且是相干的，以便波形被认为是B5 G/6 G中的ISAC的强候选。显然，如从表I的颜色缩放所观察到的，OTFS和AFDM是满足大多数ISAC标准的最有希望的候选者，在两个波形之间在复杂度、功率和频谱效率方面有一些折衷，这将在未来的工作中进一步解决。
未来的工作
可以看出，虽然OTFS和AFDM是最有前途的候选者，以实现下一代无线网络的高性能ISAC，仍然有许多重要的主题要解决，以便能够将这些技术纳入未来的标准。实际上，表I的任何给定行（诸如AFDM的PAPR或OTFS的CSI估计复杂度）可以是优化和开发的主题。作者希望本文能够帮助ISAC研究社区提供基本的见解，技术和未来的方向，以促进下一代无线网络中双分散环境中高性能ISAC的发展。此外，鉴于巩固的基本面和识别的潜力和挑战的双色散环境和有前途的波形，它也是重要的是要调查的影响，对随之而来的实际实施和设计。
代码列表
完
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