[论文解读] Seventy Years of Radar and Communications: The Road from Separation to Integration

Fan Liu, Zheng Le+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2022

Military and Defense Studies被引用 5

一句话总结

本文从信号处理的视角，系统梳理了雷达与通信技术七十年来的发展历程，追溯其融合为感知与通信一体化（ISAC）系统的过程。研究表明，共享硬件、频谱与信号处理框架可实现感知与通信性能之间的可扩展权衡，当通信与感知子空间完全对齐时（相关系数 ρ = 1），可实现最优性能。

ABSTRACT

Radar and communications (R&C) as key utilities of electromagnetic (EM) waves have fundamentally shaped human society and triggered the modern information age. Although R&C have been historically progressing separately, in recent decades they have been converging towards integration, forming integrated sensing and communication (ISAC) systems, giving rise to new, highly desirable capabilities in next-generation wireless networks and future radars. To better understand the essence of ISAC, this paper provides a systematic overview on the historical development of R&C from a signal processing (SP) perspective. We first interpret the duality between R&C as signals and systems, followed by an introduction of their fundamental principles. We then elaborate on the two main trends in their technological evolution, namely, the increase of frequencies and bandwidths, and the expansion of antenna arrays. We then show how the intertwined narratives of R&C evolved into ISAC, and discuss the resultant SP framework. Finally, we overview future research directions in this field.

研究动机与目标

• 从信号处理（SP）的视角，系统分析雷达与通信技术的历史发展脉络。
• 识别推动雷达与通信融合的关键技术趋势——包括频率/带宽的提升以及天线阵列的扩展。
• 建立雷达与通信一体化（ISAC）系统的统一信号处理框架。
• 识别ISAC领域中的开放性挑战与未来研究方向，尤其关注性能权衡、实际信号处理及网络化ISAC部署问题。

提出的方法

• 分析雷达与通信在信号与系统层面的对偶性，强调其共享的物理层原理。
• 追踪雷达与通信技术的演进路径，聚焦两大趋势：频率与带宽的持续提升，以及从单天线向大规模MIMO与分布式天线阵列的演进。
• 通过建模感知与通信性能的联合优化，提出统一的ISAC信号处理框架。
• 引入通信信道与目标波束成形向量之间的相关系数 ρ，量化通信与感知子空间之间的对齐程度。
• 通过约束优化问题推导出雷达Cramér-Rao下界（CRB）与通信可达速率之间的可扩展性能权衡。
• 通过仿真验证该权衡关系，结果表明：随着 ρ 增大，系统性能提升，当 ρ = 1 时达到最优性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 频率、带宽与天线阵列的历史演进如何推动雷达与通信技术的融合？
• RQ2 实现ISAC系统中感知与通信一体化的根本性信号处理框架是什么？
• RQ3 通信信道与雷达波束成形向量之间的相关性如何影响ISAC系统中的性能权衡？
• RQ4 实现实用化与网络化ISAC系统面临的关键开放挑战有哪些？
• RQ5 ISAC性能权衡的Pareto前沿形状如何？如何实现该前沿？

主要发现

• 雷达与通信的融合由两大关键趋势驱动：频率与带宽的持续提升，以及天线阵列从单天线向大规模MIMO与分布式系统扩展。
• ISAC信号设计实现了雷达感知性能（Cramér-Rao下界）与通信速率之间的可扩展权衡，且随着通信与感知子空间相关系数 ρ 的增加，系统性能持续提升。
• 当相关系数 ρ 达到 1 时，通信与感知子空间完全对齐，可实现两者性能的最优平衡，且互不干扰。
• ISAC权衡框架表明，通信与感知子空间对齐程度越高，资源复用程度越高，系统协同增益越强。
• 当前ISAC研究多集中于极端情况（如 ρ = 0 或 ρ = 1），而Pareto前沿的确切形状仍不明确，尤其在多用户与多目标场景下。
• 实际ISAC实现面临诸多挑战，包括5G NR波形中的高峰均功率比（PAPR）、硬件非理想性（如量化相移器）、全双工通信需求以及网络级同步要求。