极大规模天线阵列下的近场集成感知通信

本文研究了基于极大规模天线阵列（ELAA）的近场集成感知通信（ISAC）系统。该系统中，基站（BS）部署大量天线，向多个通信用户（CUs）传输无线信号，同时利用反射信号对三个空间中的多个靶点进行定位。为在通信与目标定位之间进行性能权衡，我们设计基站的发射协方差矩阵，以优化定位性能，同时满足单个CUs的信噪比+干扰+噪声比（SINR）约束。具体地，我们考虑三种不同的三维定位性能指标，构建三个设计问题：最小化总Cramér-Rao下界（CRB）、最大化最小靶点照明功率以及最大化最小靶点回波信号功率。尽管这三个问题在一般情况下均为非凸问题，但我们通过半整数松弛（SDR）技术获得了它们的全局最优解。结果表明，这三个问题具有取决于感知和通信信道矩阵的低秩结构，有助于降低SDR基于解决方案的复杂度。有趣的是，我们发现在单个靶点/CUs位于对称均匀平面阵列（UPA）中央的特殊情况下，三个问题的最优解与SINR最大化设计相同且有闭式解，而在其他情况下则可能不同。此外，当靶点/CUs相对于发射/接收器移动时，CRB可能先减小后增大。这两种现象不同于远场情形。数值结果表明，利用ELAA的波束聚焦能力，本文提出的近场ISAC设计方案具有显著优势。