面向低空经济的网络化ISAC协同发射波束成形与UAV轨迹设计

低空经济把大量无人机和电动垂直起降飞行器送上低空空域，随之而来两个并行的问题：谁给这些飞行器提供连续通信，谁又来监视不受欢迎的入侵目标。孤立部署的ISAC基站覆盖有限，而分布式地面基站若协同起来，既能做多点联合传输，也能构成分布式MIMO雷达。这份资料要回答的是：在网络化ISAC架构下，多个GBS的协同发射波束成形、授权UAV的轨迹以及UAV与GBS的关联关系该如何联合设计，才能在满足感知照射要求的同时把授权UAV的通信性能做上去。值得现在看的地方在于，它没有把感知和通信当成两套拼接的系统，而是让同一批信号同时承担两项任务，并把无人机自身的移动性直接纳入优化变量。

系统设定中，每个GBS配备均匀线性阵列（ULA）天线，天线可水平或垂直放置，论文对这两种部署分别考察。接收端区分两类UAV：一类能消除专用感知信号造成的干扰，一类不能。感知侧要在三维空间中探测感兴趣区域内的未授权目标，通信侧要同时服务多个授权UAV。优化目标是给定飞行周期内最大化授权UAV的平均和速率，约束包括对感兴趣三维感知区域的最小照射功率、各GBS的最大发射功率以及UAV的飞行约束。求解上，问题因含二元UAV-GBS关联变量、且波束成形与轨迹变量相互耦合而高度非凸，作者用交替优化、逐次凸近似与半正定松弛组合出一套算法。

数值结果的第一条结论是，协同发射波束成形与UAV轨迹的联合设计能有效平衡感知与通信之间的性能折中，并显著优于论文设置的多种基准方案。换句话说，把波束和航迹放进同一个优化问题里求解，比分开处理更能榨出系统性能。这条结论的分量在于它是在三类约束同时挤压下取得的——感知区域要被打足功率、每个基站不能超功率、无人机还得符合飞行约束，可行域相当紧。

第二条结论关于天线朝向：水平放置的ULA相比垂直放置的对应方案性能更强，原因被归结为多波束设计更灵活。第三条结论关于终端能力：UAV接收机若具备消除感知干扰的能力，有利于进一步提升ISAC性能。两条结论指向的是同一个方向，即系统性能不仅取决于网络侧怎么发，也取决于阵列怎么摆、终端怎么收。

这些结论落到实践上，意味着网络化ISAC的部署决策不只关乎功率分配和站址选择。天线横放还是竖放，不需要额外频谱、也不需要额外站点，却能在数值上拉开性能差距，这是一个成本很低的设计自由度。终端侧同理：UAV接收机能否消除专用感知信号的干扰，直接决定网络侧精心设计的波束能兑现多少通信增益，因此终端能力规划与网络侧优化应当放在一起考虑。把轨迹当作可优化变量而非既定航线，也等于承认无人机的移动本身是一种可被调度的资源，这是解读，但方向与论文的建模一致。

做ISAC系统设计、UAV通信或把凸优化用于无线网络的研究者与工程师，读这份资料能拿走三样东西：一个把协同波束成形、轨迹控制与基站关联捆在一起的问题建模；一条交替优化加逐次凸近似、半正定松弛的求解路线；以及关于天线朝向与接收机干扰消除能力的两条可操作结论。边界也需要说清楚：可见材料只包含摘要与引言，具体仿真参数、速率数值和收敛表现都没有出现，结论建立在数值仿真而非实测之上；两类接收机的划分和ULA阵列假设都是建模前提，换成别的阵列形态或信道模型后结论是否仍成立，材料没有回答。

arXiv:2406.16946v1 [eess.SP] 19 Jun 2024 Networked ISAC for Low-Altitude Economy: Coordinated Transmit Beamforming and UA V Trajectory Design Gaoyuan Cheng, Xianxin Song, Zhonghao Lyu, and Jie Xu Abstract—This paper exploits the networked integrated sensing and communications (ISAC) to support low-altitude economy (LAE), in which a set of networked ground base stations (GBSs ) cooperatively transmit joint information and sensing sign als to communicate with multiple authorized unmanned aerial vehi cles (UA Vs) and concurrently detect unauthorized objects over t he interested region in the three-dimensional (3D) space. We a ssume that each GBS is equipped with uniform linear array (ULA) antennas, which are deployed either horizontally or vertic ally to the ground. We also consider two types of UA V receivers, whic h have and do not have the capability of canceling the interfer ence