【ISAC】突破 CP 瓶颈！OFDM-ISAC 远距离感知新方案：SINR+4dB，RMSE 降一个量级【附MATLAB代码】

文章来源：微信公众号：EW Frontier

1. 文章题目

超越循环前缀限制的OFDM-ISAC：性能分析与抑制算法
（原文：OFDM-ISAC Beyond CP Limit: Performance Analysis and Mitigation Algorithms）

2. 摘要

正交频分复用（OFDM）非常适合集成感知与通信（ISAC），但其循环前缀（CP）是针对通信级多径设计的，通常不足以满足感知需求。当回波超出CP时长时，符号间干扰和载波间干扰（ISI/ICI）会破坏子载波正交性，导致感知性能下降。本文提出了一套适用于超越CP限制的OFDM-ISAC统一分析与算法框架：首先建立了通用回波模型，明确捕捉了CP不足导致的ISI与ICI结构化耦合关系；基于该模型，推导了感知信干噪比（SINR）和距离-多普勒峰值旁瓣比（PSLR）的闭式表达式，结果表明两者均随CP外归一化多余时延近似线性恶化；为缓解上述影响，提出两种兼容标准的串行干扰消除（SIC）方法——低复杂度的DFT基方案（SIC-DFT）和超分辨子空间方法（SIC-ESPRIT）。仿真验证了分析的有效性，且两种算法均优于主流基准方案：在CP不足场景下，SINR提升超过4dB；SIC-ESPRIT将距离/速度均方根误差（RMSE）降低约一个数量级，性能接近CP足够长的系统。研究成果为超越CP限制的可靠远距离OFDM-ISAC感知提供了理论支撑与实用方案。

3. 引言

集成感知与通信（ISAC）已成为下一代无线系统的关键使能技术，将传统分离的雷达与通信网络融合为统一的多功能平台[1]-[3]。通过联合利用频谱资源、硬件架构和先进信号处理技术，ISAC大幅提升了频谱效率和系统集成度，赋能自动驾驶、智能制造、环境感知无线连接等新兴应用[4],[5]。在众多波形候选中，正交频分复用（OFDM）因其在现代无线标准（如5G NR、Wi-Fi 6/7）中的广泛应用，以及在ISAC场景中的固有优势（如时延-多普勒高效解耦估计[6],[7]、灵活时频资源分配[8],[9]、低距离旁瓣[10],[11]），受到了广泛关注。
基于OFDM的ISAC系统面临一个根本性约束：循环前缀（CP）最初是为通信系统设计的，用于对抗多径传播引起的符号间干扰（ISI）。通信系统的CP时长基于微秒级时延扩展设计，通常能满足无线信道需求，但雷达感知需应对千米级距离的回波，这意味着往返时延显著更长。因此，超出CP时长的回波不可避免地会引发ISI和载波间干扰（ICI）。例如，5G NR正常CP配置下，子载波间隔120kHz时标准CP时长仅0.59μs，理论上无干扰感知距离约为90米[12]。因此，实际ISAC系统必须在CP限制之外可靠运行，而此时的感知需求与通信规范存在本质差异。

近年来，已有研究探讨了CP不足对OFDM感知性能的影响[13]-[17]。这些分析表明，当目标回波超出CP时长时，会产生显著的ISI和ICI，导致距离-多普勒图（RDM）旁瓣电平升高，参数估计精度大幅下降[13],[14],[15]。与通信系统不同，雷达感知严重依赖子载波和符号间的相干信号积累，因此对结构化干扰更为敏感，而通信系统中的中度ISI通常可通过均衡缓解。然而，现有理论分析常通过假设干扰与无干扰分量统计独立或采用高斯近似来简化ISI/ICI建模，这些简化降低了分析精度，无法捕捉OFDM感知场景中ISI/ICI分量的固有结构化耦合特性。因此，针对超越CP限制的OFDM-ISAC系统，亟需一套严谨准确的性能表征方法。

除性能表征外，近期研究也探索了CP不足的缓解方法，主要分为发射端波形设计和接收端补偿两类：发射端方法（如CP结构修改[15],[18],[19]、导频图案重设计[20]、符号级波形优化[21]）虽能有效抑制ISI/ICI，但往往牺牲频谱效率且偏离标准化OFDM格式；接收端方法（如时域相干补偿（TDCC）[13],[14]、虚拟CP重构[22]、频域相干补偿（FDCC）[23]、多目标相干补偿（MTCC）[23]）通过相干补偿增强无干扰信号分量，但同时会放大噪声和残余干扰，无法彻底消除ISI/ICI。因此，现有文献中仍缺乏兼容标准OFDM信号格式且能完全抵消干扰的有效缓解算法。
鉴于上述关键缺口，本文构建了一套适用于超越CP限制的OFDM-ISAC感知统一分析与算法框架，涵盖信号建模、理论分析和干扰抑制算法，主要贡献如下：

1. 建立了通用OFDM-ISAC回波模型，明确捕捉CP不足导致的ISI与ICI结构化耦合关系，揭示了CP不足如何破坏距离-多普勒可分离结构，并在子载波和OFDM符号间引入相干干扰，为理论性能分析和算法设计提供了基础。
2. 推导了感知SINR和距离-多普勒PSLR的闭式解析表达式，无需对干扰项做独立性或高斯性假设。分析表明，SINR恶化和旁瓣升高均随CP外归一化多余时延近似线性增长，为CP长度与感知性能的权衡提供了定量依据。
3. 提出两种频域干扰消除算法（SIC-DFT和SIC-ESPRIT）以缓解CP不足导致的ISI和ICI：SIC-DFT采用低复杂度DFT基估计，SIC-ESPRIT利用子空间基参数恢复实现超分辨感知精度，两种方法均完全兼容标准OFDM信号，无需修改波形。
4. 大量仿真验证了理论分析的正确性和算法的有效性：SIC-DFT和SIC-ESPRIT均优于现有基准方案，在CP不足场景下SINR提升超过4dB；SIC-ESPRIT估计精度更优，距离和速度RMSE较竞品降低约一个数量级，性能接近CP足够长的系统。研究结果证实，所提框架可实现超越CP限制的可靠、高保真OFDM-ISAC感知。

4. 结论

本文针对超越循环前缀（CP）限制运行的OFDM基集成感知与通信（ISAC）系统，提出了一套统一的分析与算法框架。首先建立了通用回波模型，明确表征了CP不足导致的符号间干扰（ISI）与载波间干扰（ICI）结构化耦合关系，并基于该模型推导了感知信干噪比（SINR）和距离-多普勒峰值旁瓣比（PSLR）的闭式表达式。分析表明，SINR恶化和旁瓣升高均随CP外归一化多余时延近似线性增长。为缓解上述影响，提出了两种迭代干扰消除算法（SIC-DFT和SIC-ESPRIT）。仿真结果验证了解析表达式的准确性，并表明所提算法显著优于现有基准方案。本文成果为超越CP限制的可靠远距离OFDM-ISAC感知提供了理论洞察与实用技术。