本文的主要作者是Ruoguang Li、Zhiqiang Xiao和Yong Zeng，均来自中国南京的东南大学国家移动通信研究实验室和紫金山实验室。该研究成果发表于《IEEE Transactions on Wireless Communications》期刊，编号为第23卷第6期，发布日期为2024年6月。
随着第六代移动通信(6G)网络的到来，人们对超高数据传输速率、高精度定位以及微观环境信息的需求不断增长。这些需求促使无线通信和雷达感知的结合成为可能。然而，由于通信和雷达感知在覆盖需求上的差异，目前的蜂窝网络难以实现无缝的感知覆盖。本文研究了蜂窝集成感知和通信(ISAC)系统的覆盖问题，旨在同时为通信用户设备(UEs)提供服务并感知一个预定区域。
研究的流程和方法包括雷达感知信号处理程序和通信信号模型的建立，以及利用多点协同联合传输(CoMP-JT)实现多静态蜂窝ISAC系统的优化。研究首先分析了基本的双静态ISAC系统，并推导了单个UE和单个感知点情况下的最优波束形成闭式解。然后研究了包含多个通信UE和连续区域感知覆盖的一般情况，提出网格划分和方向离散化方法以便于求解优化问题。此外，研究还探讨了多静态ISAC系统中的波束优化，以最大化感知覆盖区域的检测概率，并展现了该问题等效于最大化不同传输基站(BS)的感知信噪比(SNR)之和。
研究提出了一种基于逐次凸逼近(SCA)技术的高效率算法，并通过数值结果证明了所提设计能够在保证通信要求的同时，实现在规定区域内的无缝感知覆盖。
本研究意义重大，提供了一种有效的蜂窝ISAC系统设计方法，在保证通信需求的同时，实现了高效和无缝的感知覆盖。这为未来6G网络中感知与通信的协同提供了理论基础和实践参考，具有较高的科学价值和应用前景。
1. 系统模型建立： 以蜂窝多静态ISAC系统为基础，进行多天线基站之间的协作，以提供多静态感知服务，同时服务多个通信UE。系统模型通过信号处理过程及感知区域的感知信道增益进行描述，分别推导了雷达接收器和每个UE的接收SNR和通信SINR。
2. 基本双静态ISAC系统研究： 首先考虑了基本的双静态系统，并在一个UE和一个感知点的情况下推导了最优波束形成的闭式解。在此基础上，进一步研究了包含多个UE和连续区域感知覆盖的一般情况。
3. 网格与方向离散化方法： 针对大面积的感知覆盖区域提出了两种离散化方法：网格划分法和方向离散化法。两种方法在求解优化问题时互为补充，可分别适用于不同的应用场景和需求。
4. 波束形成优化问题的求解： 通过引入辅助变量和应用SCA技术，优化问题转换为可解的凸优化问题。迭代更新局部点以获得优化解。
5. 多静态ISAC系统中的协作与联合传输： 探讨了多静态ISAC系统中的波束形成优化，旨在最大化不同传输基站感知SNR之和。同时，数字结果表明，通过多个基站的协作能够更好地实现感知覆盖和通信服务的综合优化。
6. 数值仿真与结果分析： 通过数值仿真，验证了所提算法在不同场景下的有效性和性能。实验结果表明，所提出的方法在规定的感知覆盖区域内实现了无缝覆盖并满足了通信要求，展示了良好的感知与通信性能。
7. 未来工作方向： 未来的研究将进一步关注多目标、多区域感知覆盖的波束形成优化，以及不同形状感知区域对优化结果的影响分析。
本研究为未来6G网络中的集成感知与通信系统的设计和实现提供了理论支持和技术路径，具有重要的学术价值和应用前景。