周濤，許魁，夏曉晨，蘇巧

（陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著第五代移動(dòng)通信（5G,5thGeneration Wireless Communication）技術(shù)在全球范圍內(nèi)的廣泛商用，業(yè)界對(duì)于第六代移動(dòng)通信（6G,6thGeneration Wireless Communication）的展望已經(jīng)開始。與5G 相比，6G 要求更高的速率、更低的延遲以及萬(wàn)物互聯(lián)（IoE,Internet of Everything）和通感多維能力。隨著萬(wàn)物互聯(lián)和數(shù)字孿生的概念的提出，6G 網(wǎng)絡(luò)將是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、感知網(wǎng)絡(luò)和算力網(wǎng)絡(luò)的融合體。通信與感知一體化（ISAC,Integrated Sensing and Communication）正成為6G 技術(shù)與業(yè)務(wù)的主導(dǎo)趨勢(shì)之一[1-2]。

可重構(gòu)智能超表面（RIS,Reconfigurable Intelligent Surface）作為6G 的核心技術(shù)之一，能夠有效增強(qiáng)區(qū)域覆蓋、降低無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署的成本和能耗，近年來(lái)正受到業(yè)界廣泛研究[3-5]。RIS 為解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)日益增長(zhǎng)的成本以及能耗問(wèn)題提供了新的范式。不同于傳統(tǒng)的拋物面天線或者相控陣天線，RIS 是一種線性或者平面陣列結(jié)構(gòu)。它由一個(gè)與發(fā)射端相連接（有線或無(wú)線）的控制器控制。RIS 包含許多低成本無(wú)源陣元，每個(gè)元素均是亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，能夠獨(dú)立地改變?nèi)肷湫盘?hào)的相位/ 幅度。在通過(guò)聯(lián)合設(shè)計(jì)各個(gè)陣元的反射系數(shù)，可以使反射信號(hào)在期望的方向相干疊加，實(shí)現(xiàn)二次波束成形[6-7]。RIS 的加入使人工配置無(wú)線信道成為可能，實(shí)現(xiàn)了智能可重構(gòu)的無(wú)線通信。

RIS 輔助ISAC 正成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)。一方面，RIS 本身的大規(guī)模陣列結(jié)構(gòu)提供較高的空間分辨率，能夠提升感知精度。另一方面，當(dāng)感知區(qū)域被高大建筑物遮擋時(shí)，RIS 能夠部署于合適位置以建立虛擬的直射（LoS,Line of Sight）路徑，提升感知的范圍[8-9]。此外RIS 低成本和低能耗特性使其能夠大規(guī)模分布式部署，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的感知能力。ISAC 的基本思想是通信和感知功能的集成，即通信和感知業(yè)務(wù)可以完全共享硬件平臺(tái)，使用雙功能波形同時(shí)進(jìn)行，這種ISAC 系統(tǒng)在業(yè)界也被稱為雙功能雷達(dá)通信（DFRC,Dual-Functional Radar and Communication）系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]研究了RIS 輔助的DRFC 系統(tǒng)，作者將RIS 的陣元進(jìn)行了劃分，一部分陣元由于通信業(yè)務(wù)，另一部分陣元用于感知業(yè)務(wù)。在此基礎(chǔ)上，作者提出了一種低復(fù)雜度的RIS 劃分方法和基于碼本的RIS 配置方法，以求解RIS 的反射優(yōu)化。結(jié)果表明，所提出的RIS 輔助DFRC 系統(tǒng)具有令人滿意的頻譜效率以及感知性能。在文獻(xiàn)[11]中，作者對(duì)BS 的主動(dòng)波束形成和RIS 反射進(jìn)行交替優(yōu)化，在單個(gè)用戶的通信信噪比約束下，最大化RIS 的波束方向增益，提升雷達(dá)目標(biāo)的檢測(cè)性能。文獻(xiàn)[12]研究了RIS 輔助的DFRC 系統(tǒng)，在通信信噪比約束下，聯(lián)合設(shè)計(jì)主被動(dòng)波束成形，對(duì)雷達(dá)的信噪比進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，RIS 輔助的DFRC 系統(tǒng)與傳統(tǒng)的DFRC 系統(tǒng)相比實(shí)現(xiàn)了大約10 dB 的雷達(dá)信噪比增益。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[13]研究了雙RIS 輔助的ISAC 場(chǎng)景，結(jié)果表明，雙RIS 的使用為雷達(dá)和通信信干噪比（SINR）提供了約4 dB 的額外增益。與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，DFRC系統(tǒng)將面臨嚴(yán)重的數(shù)據(jù)安全性問(wèn)題。這是由于用于雷達(dá)傳感的通信信號(hào)更容易受到潛在的竊聽攻擊。文獻(xiàn)[14]研究了RIS 輔助的DFRC 系統(tǒng)下行安全傳輸問(wèn)題，作者使用隨機(jī)梯度下降方法聯(lián)合設(shè)計(jì)了人工噪聲以及主被動(dòng)波束成形以最大化系統(tǒng)的安全可達(dá)速率和雷達(dá)信噪比。雖然RIS在成本能耗以及重構(gòu)無(wú)線傳播環(huán)境方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但仍存在局限性。在現(xiàn)有的RIS 輔助系統(tǒng)中，RIS 通常只能實(shí)現(xiàn)一種工作模式，即反射或者透射模式。為了反射信號(hào)，收發(fā)機(jī)需部署于RIS 的同側(cè)?；蛘邽榱送干湫盘?hào)，收發(fā)機(jī)需部署于RIS 的異側(cè)。也就是說(shuō)，RIS 只能實(shí)現(xiàn)半空間內(nèi)的可重構(gòu)無(wú)線通信。這限制了RIS 的部署位置，也降低了RIS 設(shè)計(jì)上的自由度。最近，同時(shí)反射和透射智能超表面（STAR-RIS,Simultaneously Transmitting and Reflecting-RIS）作為一種新的RIS 架構(gòu)被提出，與傳統(tǒng)的RIS 不同，其能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射信號(hào)的反射和透射，有望擴(kuò)充無(wú)線通信的覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)全空間內(nèi)的可重構(gòu)無(wú)線通信[15-17]。STAR-RIS 將傳統(tǒng)RIS 的半空間可重構(gòu)傳輸擴(kuò)展到了全空間，因此在通感一體系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用前景。一方面，STAR-RIS 擴(kuò)展了系統(tǒng)的感知范圍以及通信覆蓋范圍。另一方面，STAR-RIS 也提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及部署的自由度（如反射時(shí)收發(fā)節(jié)點(diǎn)不需要部署于同側(cè)）。最近，已有一些工作開展對(duì)STAR-RIS 輔助的ISAC 系統(tǒng)的研究[18-19]，但業(yè)界對(duì)于STAR-RIS 輔助ISAC 這一新興領(lǐng)域的研究處于初始階段。與傳統(tǒng)RIS 輔助的ISAC 系統(tǒng)相比，STARRIS 輔助的ISAC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。一方面，STAR-RIS需要同時(shí)設(shè)計(jì)反射和透射系數(shù)（包括反射和透射相移以及反射和透射振幅）。另一方面，STAR-RIS 提升了信號(hào)覆蓋范圍，但也增加了對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的安全性要求，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮安全通信需求。

基于上述背景，本文研究了STAR-RIS 輔助的全域ISAC 系統(tǒng)。系統(tǒng)中存在多個(gè)合法用戶和感知目標(biāo)，部署STAR-RIS 協(xié)助雙功能AP 同時(shí)為多個(gè)合法用戶提供服務(wù)并進(jìn)行目標(biāo)感知。STAR-RIS 將系統(tǒng)區(qū)域劃分為透射和反射區(qū)域，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)被視作潛在的非法竊聽者。本文的目標(biāo)是：最大化目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的感知性能，同時(shí)保證用戶的服務(wù)質(zhì)量以及安全通信需求。為此，引入人工噪聲，在抑制竊聽的同時(shí)提升目標(biāo)的感知性能。

本文的主要工作總結(jié)如下：針對(duì)STAR-RIS 這一架構(gòu)，研究通感一體系統(tǒng)的下行安全傳輸方法。主要考慮STAR-RIS 的兩種協(xié)議：能量分裂（ES,Energy Splitting）和模式切換（MS,Mode Switching），針對(duì)兩種協(xié)議分別構(gòu)建了優(yōu)化問(wèn)題，在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量以及安全通信需求的基礎(chǔ)上最大化STAR-RIS 到感知目標(biāo)的波束方向增益。本文所考慮的問(wèn)題非凸且優(yōu)化變量強(qiáng)耦合，難以直接求解，為此提出基于交替迭代的優(yōu)化算法，將優(yōu)化變量解耦，利用半正定松弛（SDR）和連續(xù)凸近似（SCA）等方法獲取子問(wèn)題的高質(zhì)量可行解。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的有效性，并揭示了與傳統(tǒng)IRS 相比STAR-RIS在ISAC 系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。

1 系統(tǒng)模型及問(wèn)題建模

STAR-RIS 輔助的ISAC 下行系統(tǒng)如圖1 所示：

圖1 STAR-RIS輔助的ISAC下行系統(tǒng)

考慮一個(gè)STAR-RIS 輔助下行ISAC 系統(tǒng)，STARRIS 將服務(wù)區(qū)域劃分為透射和反射區(qū)域，反射和透射區(qū)域各存在1 個(gè)合法用戶和1 個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，由于建筑物遮擋，AP 到各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的直達(dá)路徑被阻塞。AP 配備有M根天線，為ULA 陣列。STAR-RIS 配備有N個(gè)元素，為ULA 陣列。為了便于表述，首先定義表示用戶索引，I表示索引集合，i=t表示處于透射區(qū)域的用戶，而i=t表示處于反射區(qū)域的用戶。表示集合I中除i以外的元素，若i=t，則表示感知目標(biāo)索引,表示索引集合，k=t表示處于透射區(qū)域的感知目標(biāo)，而k=r表示處于反射區(qū)域的感知目標(biāo)。AP 需要在服務(wù)用戶通信的同時(shí)，探測(cè)處于NLOS 區(qū)域的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，AP 需要發(fā)送的信號(hào)可以表示為：

1.1 STAR-RIS

STAR-RIS 目前存在三種工作模式：ES、MS 以及時(shí)間切換（TS,Time Switching）。下面對(duì)以上三種模式進(jìn)行介紹。

（3）TS 模式，STAR-RIS 分時(shí)進(jìn)行信號(hào)的反射和透射。令τt為由于透射的時(shí)隙，在此時(shí)隙內(nèi)，所有陣元只進(jìn)行對(duì)信號(hào)的透射。τt為由于反射射的時(shí)隙，在此時(shí)隙內(nèi)，所有陣元只進(jìn)行對(duì)信號(hào)的反射。時(shí)隙分配滿足τt+τt=1?？梢钥吹剑诿恳粋€(gè)時(shí)隙內(nèi)，STAR-RIS 相當(dāng)于一個(gè)傳統(tǒng)的RIS。

值得注意的是，本文考慮的ISAC 系統(tǒng)需要同時(shí)對(duì)全空間（反射和透射區(qū)域）內(nèi)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行感知，并為全空間內(nèi)的用戶提供服務(wù)，因此TS 模式不適用于所考慮的ISAC 系統(tǒng)。綜上，本文主要考慮ES 模式，并進(jìn)一步擴(kuò)展至MS 模式。實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，STAR-RIS 的相移系數(shù)的取值可能受限，為內(nèi)的離散值，即：

本文也將分析離散相移對(duì)系統(tǒng)性能的影響，ω表示離散相移量化值，其為正整數(shù)。

1.2 通信模型

考慮下行傳輸，AP 發(fā)送信息到各用戶處，用戶i的接收信號(hào)表示為：

ηi表示用戶i處的加性噪聲，其服從零均值方差為的復(fù)高斯分布。基于香農(nóng)定理，用戶i的接收SINR 可以表示為：

類似地，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)k的SINR 表示為：

1.3 雷達(dá)探測(cè)模型

假設(shè)探測(cè)目標(biāo)為點(diǎn)狀節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)k與STAR-RIS 之間的方位角度為θk。方向矢量表示為考慮信息信號(hào)s和傳感信號(hào)x0可以共同用于“照亮”感知目標(biāo)。目標(biāo)k的波束增益（Beampattern Gain）表示為[11]：

1.4 問(wèn)題構(gòu)建

ut與tk在實(shí)際通信中難以直接獲取。因此傳輸設(shè)計(jì)時(shí)往往使用估計(jì)的級(jí)聯(lián)信道。假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的級(jí)聯(lián)CSI 在BS 處完美已知。目標(biāo)是：聯(lián)合設(shè)計(jì)主被動(dòng)波束成形，在保證合法用戶安全通信需求的基礎(chǔ)上，最大化感知目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小波束方向增益，因此優(yōu)化問(wèn)題構(gòu)建為：

2 優(yōu)化算法

2.1 給定求解

竊聽者的SINR 約束可以寫為：

子問(wèn)題可以寫為：

由于秩一約束的存在，上述問(wèn)題仍然非凸。下面使用基于SCA 的罰函數(shù)法處理非凸約束對(duì)于任意秩一矩陣Wi，下式成立：

上式仍然非凸，利用一階泰勒展開將其近似為：

ρ1是一個(gè)懲罰系數(shù)。是一個(gè)凸問(wèn)題通過(guò)CVX 可以有效求解。合理設(shè)置ρ1，可以得到原子問(wèn)題的高質(zhì)量秩一解。此時(shí)最優(yōu)解可以通過(guò)特征值分解得到。

2.2 給定求解

2.3 算法總結(jié)

本文所提算法的求解過(guò)程總結(jié)如下：

3 MS模式和離散相移條件

3.1 MS模式下的STAR-RIS

在MS 模式下，AP 處的主動(dòng)波束成形優(yōu)化方法與ES 一致，但由于振幅系數(shù)為二進(jìn)制變量（0 和1），此時(shí)STAR-RIS 處的被動(dòng)波束成形優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

利用一階泰勒展開得：

上述問(wèn)題可以通過(guò)CVX 有效求解。

3.2 離散STAR-RIS相移

4 數(shù)值仿真

本節(jié)進(jìn)行數(shù)值仿真以驗(yàn)證所提出算法的有效性。AP天線數(shù)為8，STAR-RIS 陣元數(shù)為30。采用萊斯信道模型。信道F可以表示為：

μ0=10-3，α=2.2，d0=1。為萊斯因子。FNLos表示信道的NLOS 部分，其元素服從復(fù)高斯分布均值為0，單位方差。表示信道的LoS 部分，和φ分別表示STAR-RIS 和AP 處的AoA。同理，信道tk與ui也由類似方法建模。AP 與STAR-RIS 之間的距離為30 m，方位角為30°。反射和透射區(qū)域用戶與STAR-RIS 之間的距離均為30 m，方位角分別為10° 和70°。反射區(qū)域目標(biāo)與STAR-RIS 之間的距離為30 m，方位角為θr=60°；透射區(qū)域目標(biāo)與STAR-RIS 之間的距離為50 m，方位角為θt=20°初始懲罰因子設(shè)置為ρ1=ρ2=10-4。

首先分析探測(cè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小波束增益與AP 總功率的關(guān)系，設(shè)為10 dB，為1 dB。AP 總功率在25 dBm至40 dBm 之間變化。主要對(duì)比4 種方案：

（1）ES-STAR-RIS：STAR-RIS 處于ES 模式，使用所提出方法進(jìn)行迭代優(yōu)化；

（2）MS-STAR-RIS：STAR-RIS 處于MS 模式，使用所提出方法進(jìn)行迭代優(yōu)化；

（3）傳統(tǒng)RIS：使用兩個(gè)RIS 分別進(jìn)行反射和透射，為保證公平，兩個(gè)RIS 的陣元數(shù)均為N/2。

（4）ES-STAR-RIS 隨機(jī)配置：STAR-RIS 處于ES模式，隨機(jī)產(chǎn)生STAR-RIS 的反射/透射系數(shù)，不進(jìn)行優(yōu)化。

從圖2 可以看到，隨著AP 總功率的增加，探測(cè)目標(biāo)的波束增益也增加。與傳統(tǒng)RIS 相比，STAR-RIS 處于ES模式并利用所提出算法進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化后探測(cè)目標(biāo)的最小波束增益性能最好。而STAR-RIS 處于MS 模式時(shí)，波束增益性能較低。在低功率條件下，如AP 總功率為25 dBm 時(shí)，其性能與傳統(tǒng)的RIS 相差不大。隨著用于通信和目標(biāo)感知總功率的增加，MS 的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的RIS。因此，與傳統(tǒng)RIS 相比，STAR-RIS 能夠提供更好的通信和感知性能。在ES 模式下，與隨機(jī)STAR-RIS 配置相比，所提出的優(yōu)化算法在保證用戶服務(wù)質(zhì)量以及安全通信需求的前提下，能夠顯著提升目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小波束增益，這也驗(yàn)證了所提出算法的有效性。

圖2 最小波束增益隨AP總功率的變化

圖3 算法收斂性

圖4 展示了探測(cè)目標(biāo)的波束方向圖性能。透射區(qū)域目標(biāo)角度為θt=20°，反射區(qū)域目標(biāo)角度為θr=60°，設(shè)為10 dB，為1 dB，總功率為30 dBm。圖中橫坐標(biāo)代表了STAR-RIS 處的方位角，縱坐標(biāo)為波束增益，注意為了便于說(shuō)明，取透射區(qū)域增益為正，反射區(qū)域?yàn)樨?fù)（這里的正負(fù)值只代表不同區(qū)域）?？梢钥吹皆贓S 模式下，使用所提出優(yōu)化方法能夠使波束有效對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)方位，并且提供較強(qiáng)的波束增益，MS 模式的波束增益性能與ES 相比顯著降低，傳統(tǒng)的RIS 性能最差。總得來(lái)看，STAR-RIS 能夠在保證通信性能的同時(shí)，提供比傳統(tǒng)RIS 更好的波束聚焦性能。

圖4 波束圖分析

下面分析STAR-RIS 離散相移系數(shù)對(duì)于系統(tǒng)性能的影響。定義相移取值集為其中ω表示相位量化值。ω衡量了相位的離散程度，ω越大STAR-RIS 陣元的相移取值越多，越接近連續(xù)相位。對(duì)比了不同用戶SINR 需求下的系統(tǒng)性能，設(shè)為1 dB，總功率為30 dBm，這里僅討論具有最優(yōu)性能的ES 模式。從圖5 中可以看到，在低相位量化值下，波束增益性能較差，特別是ω取值為1，相移系數(shù)只能取0 和π，波束增益性能較差。當(dāng)ω取值大于3 時(shí)，波束增益性能逐漸逼近連續(xù)相移情況。可以看到，離散相移對(duì)系統(tǒng)性能影響較大，為了保證系統(tǒng)性能，在實(shí)際情況下相位量化值應(yīng)大于3。此外，用戶需求的SINR 越大，系統(tǒng)所能達(dá)到的目標(biāo)波束增益越小。因此系統(tǒng)的通信和感知開銷應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行折中，以滿足感知和通信需求。

圖5 離散相位條件下的性能分析

5 結(jié)束語(yǔ)

本文考慮STAR-RIS 輔助的ISAC 系統(tǒng)，旨在聯(lián)合優(yōu)化AP 處的主動(dòng)波束成形以及STAR-RIS 處的被動(dòng)波束成形，在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量以及安全通信的基礎(chǔ)上，最大化感知目標(biāo)的波束增益。針對(duì)這一非凸問(wèn)題，提出一種交替迭代的優(yōu)化方法，并利用SCA 和SDR 方法獲得了原問(wèn)題的高質(zhì)量平穩(wěn)解。在ES 模式基礎(chǔ)上，擴(kuò)展到了MS 和離散相移情況，并提出相應(yīng)優(yōu)化方案。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的有效性，同時(shí)揭示了STAR-RIS 在未來(lái)通感一體系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。