引言

通信感知一體化作為新興的無線技術范式，已被學術界和產業界普遍視為第六代（6G）移動通信系統的核心使能技術之一[1]。相較于傳統通信與感知系統獨立部署的方案，通感一體化通過共享無線基礎設施、信號處理單元以及頻譜和能量資源，實現了通信與感知功能的深度協同。這種一體化設計不僅能夠顯著降低硬件部署成本，更能通過通信與感知的互信息共享與功能互補，實現系統整體性能的協同提升。特別值得指出的是，隨著毫米波/太赫茲頻段的開發利用以及大規模多輸入多輸出技術的突破，6G網絡將有望同時達成亞米級的高精度環境感知與超Gbps量級的高速數據傳輸，為智能網聯、數字孿生等新興應用場景提供關鍵技術支持。

多天線技術作為通感一體化系統的關鍵使能技術，已在現有研究中得到廣泛探索和應用[2-8]。具體而言，文獻[2]和文獻[6]針對多天線多用戶通感一體化系統，提出了創新的聯合發射波束成形設計方案，通過協同優化專用感知波束和信息波束，文獻[2]顯著提升了系統感知自由度，而文獻[6]則實現了安全通信性能的增強。在理論分析方面，文獻[3]開創性地建立了多輸入多輸出通感一體化系統的性能權衡框架，通過克拉美-羅下界量化感知精度，并結合通信容量指標，系統性地刻畫了系統的基本性能極限。進一步地，相關研究已拓展至更復雜的應用場景，包括網絡化通感一體化系統中的協同波束成形設計[4]，以及集成感知、通信與無線傳能的三功能一體化方案[5]。然而需要指出的是，現有研究主要聚焦于地面無線網絡中接入點的發射端設計，這種架構在實際部署中可能面臨感知范圍受限和通信覆蓋不足的挑戰。

近年來，基于無人機平臺和低軌衛星的天基基站技術為拓展通感一體化服務覆蓋提供了創新性解決方案[9]。這類平臺憑借其獨特的空間優勢，能夠與地面用戶建立高概率視距傳輸鏈路，具備三維立體覆蓋能力[10-12]。相較于傳統地面通感一體化系統易受建筑物、地形等障礙物影響而導致覆蓋范圍受限的缺陷，這種空對地通感一體化架構能夠通過建立視距鏈路有效保證通信和感知性能。

現有研究已對無人機使能通感一體化系統進行了開創性探索[13-17]。文獻[13]~文獻[15]對無人機系統波束成形優化問題展開研究，在滿足感知性能要求的前提下最大化用戶可達速率。針對單無人機在尺寸、重量和功率方面的固有局限[16]，文獻[17]創新性地研究了多無人機協作通感一體化系統，通過聯合優化無人機部署和功率分配策略，在保證通信質量的同時最大化目標區域的最小檢測概率。盡管無人機網絡具備快速響應和靈活部署的特點，但其有限的續航能力和覆蓋范圍仍然制約著實際應用效果。

相較于無人機網絡，衛星星座可以對全球三維空間實現無縫覆蓋，并具有更長的工作時間，衛星通感一體化系統目前得到了廣泛關注[17-21]。其中，文獻[17]和文獻[18]對衛星技術和6G天地一體化發展進行了總結，并對衛星通感一體化方案、波形設計等技術進行了討論和展望。文獻[19]則更關注衛星使能的通感一體化系統的架構和性能指標，并對其進行了詳細闡述。文獻[20]和文獻[21]都對衛星使能的通感一體化系統波束成形進行了優化。其中文獻[20]采用分式規劃和塊坐標下降算法對子問題進行優化選星和信道分配及功率聯合優化。文獻[21]則考慮使用聯邦學習算法，以最大化通信信噪比為目標進行波束成形優化。然而，當前的文獻大多關注單顆衛星的性能優化，或是存在算法復雜度較高的問題。隨著未來大規模衛星星座的部署，對低復雜度以及多衛星協作的需求將極大增加。

為了解決這一問題，本文研究了一種多低軌衛星使能通感一體化場景，其中每顆衛星均配備垂直定向的均勻線性陣列多天線。這些低軌衛星同時傳輸單獨的消息與各自的地面用戶通信，并協作利用信息信號檢測感興趣區域內的地面目標。在此配置下，本文的目標是通過聯合設計這些衛星的發射波束成形，最大化目標區域內的最小檢測概率，同時確保地面用戶的最小信干噪比約束以及衛星的最大發射功率約束。由于衛星的均勻線性陣列多天線配置以及發射波束成形所帶來的高度非凸性，該問題難以進行直接求解。為了解決上述問題，本文提出了一種基于半正定松弛的優化算法，以獲得高質量的解。最后，本文通過數值結果驗證了所提設計相對于其他基準方案的有效性。結果表明，本文提出的聯合發射波束成形設計有效平衡了通信與感知性能之間的權衡。

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作者信息：

?？〉?，丁偉航，余龍丹，李鑫，邢斯瑞

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