content(sec,app): 撰写 sec4/sec5 与附录 E.2/F 实质推导
sec4 给出多用户 K 推广：信号模型、η_mu、集中似然投影准则、
用户分离可辨识性的几何刻画。sec5 引入时间戳误差 δ_ℓ 作为
部分相干干扰参数，扰动信号模型、相位耦合与导频偏移两条
途径、小/大误差区适用性分析、EFIM 框架概览。
附录 E.2 把 E.1 复增益 Schur 补框架扩展到多用户，给出 3K×3K
EFIM 与用户分离可辨识性的秩条件；附录 F 给出 FIM 三段分块、
逐星 Schur 消去 δ_ℓ 的 EFIM 解析形式、数值评估流程，以及
K=1,L=2 最简情形的闭式 EFIM。F.3 离散化精度与 K≥2,L≥3
的解析推导留 % TODO 注释。
符号注册：η_mu、ν_{ref,k}、ζ_{ℓ,k}、δ 并入附录 A 符号表；
下标 mu/te 加入模型标记表。
This commit is contained in:
@@ -1,4 +1,184 @@
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\section{多用户扩展}
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\label{sec:multiSatMultiUser}
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% TODO: 阶段 5 content commit 填入实质内容
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第~\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节假设单用户：所有 $L$ 颗卫星看到的来向与 Doppler 都由同一个 $(\boldsymbol\xi,\nu_{\mathrm{ref}})$ 决定。本节沿\emph{参数空间}维度推进一步：把用户数从 $K=1$ 推广到一般 $K\ge1$，其余维度（单帧静态、各星完全相干、已知导频）保持最简。
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数学上这只是把每个用户的参数 $(\boldsymbol\xi_k,\nu_{\mathrm{ref},k})$ 独立堆叠；但物理上引入了第~\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节不存在的新问题——\emph{用户分离的可辨识性}。当两个用户的 $(\boldsymbol\xi_k,\nu_{\mathrm{ref},k})$ 在所有 $L$ 条链路上同时接近时，集中似然曲面会出现伪极值，这是后续引入 AI 方法补偿 nuisance 的重要动机之一。本节用几何直觉指出这一现象，不展开严格证明；详细 \gls{crb} 与多用户 \gls{fim} 分块推导见附录~\ref{subsec:E2_multiUserMultiSatCrb}。
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\subsection{多用户信号模型}
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\label{subsec:multiUserSignalModel}
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设 $K$ 个单天线用户与 $L$ 颗卫星在同一观测块内并发上行已知导频，第 $k$ 个用户的全局 DoA 为 $\boldsymbol\xi_k=[\alpha_k,\beta_k]^\Tran$，对应的参考星归一化 Doppler 记为 $\nu_{\mathrm{ref},k}$。沿用 \S\ref{subsec:globalLocalDoaMap}--\S\ref{subsec:refSatParameterization} 的全局/局部映射与参考星参数化，第 $\ell$ 颗卫星对第 $k$ 个用户的本地导向矢量记为 $\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi_k)$，其链路 Doppler 由几何映射给出
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\begin{equation}
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\nu_{\ell,k}(\boldsymbol\xi_k,\nu_{\mathrm{ref},k})
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\triangleq
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\nu_{\mathrm{ref},k}+\Delta\nu_\ell(\boldsymbol\xi_k),
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\qquad
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\Delta\nu_{\ell_{\mathrm{ref}}}(\boldsymbol\xi_k)\equiv 0.
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\end{equation}
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注意 $\Delta\nu_\ell(\cdot)$ 由卫星几何决定，不依赖用户索引 $k$；$k$ 只通过 $\boldsymbol\xi_k$ 与 $\nu_{\mathrm{ref},k}$ 进入。
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每个用户对每颗卫星都有一个未知复干扰系数 $\zeta_{\ell,k}\in\mathbb C$。第 $\ell$ 颗卫星在采样点 $t$ 的接收向量为各用户贡献的叠加：
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\begin{equation}
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\mathbf y_\ell(t)
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=
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\sum_{k=1}^{K}
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\zeta_{\ell,k}
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||||
\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi_k)
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s_k(t)
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||||
e^{j\nu_{\ell,k}(\boldsymbol\xi_k,\nu_{\mathrm{ref},k})t}
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||||
+
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||||
\mathbf n_\ell(t),
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\qquad
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\mathbf n_\ell(t)\sim\mathcal{CN}(\mathbf 0,\sigma_{n,\ell}^2\mathbf I_{M_\ell}).
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\end{equation}
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其中 $s_k(t)$ 为第 $k$ 个用户的已知导频，可逐用户彼此不同；噪声仍假设星间异方差、星内同方差。
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定义第 $(\ell,k)$ 对的时间模板与空时导向向量
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\begin{equation}
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\mathbf q_{\ell,k}(\boldsymbol\xi_k,\nu_{\mathrm{ref},k})
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\triangleq
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||||
\begin{bmatrix}
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||||
s_k(0)e^{j\nu_{\ell,k}\cdot 0},
|
||||
\cdots,
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||||
s_k(T-1)e^{j\nu_{\ell,k}(T-1)}
|
||||
\end{bmatrix}^\Tran
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||||
\in\mathbb C^{T\times 1},
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\qquad
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||||
\mathbf g_{\ell,k}
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||||
\triangleq
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||||
\mathbf q_{\ell,k}\otimes\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi_k)
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||||
\in\mathbb C^{M_\ell T\times 1}.
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||||
\end{equation}
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将第 $\ell$ 颗卫星观测按列向量化为 $\tilde{\mathbf y}_\ell=\vect(\mathbf Y_\ell)$，则
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\begin{equation}
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\label{eq:sec4_vec_model}
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||||
\tilde{\mathbf y}_\ell
|
||||
=
|
||||
\sum_{k=1}^{K}
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||||
\zeta_{\ell,k}\mathbf g_{\ell,k}
|
||||
+
|
||||
\tilde{\mathbf n}_\ell
|
||||
=
|
||||
\mathbf G_\ell\boldsymbol\zeta_\ell
|
||||
+
|
||||
\tilde{\mathbf n}_\ell,
|
||||
\end{equation}
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其中
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\begin{equation}
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||||
\mathbf G_\ell(\boldsymbol\Xi,\boldsymbol\nu_{\mathrm{ref}})
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||||
\triangleq
|
||||
\big[
|
||||
\mathbf g_{\ell,1},\ldots,\mathbf g_{\ell,K}
|
||||
\big]
|
||||
\in\mathbb C^{M_\ell T\times K},
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||||
\qquad
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||||
\boldsymbol\zeta_\ell
|
||||
\triangleq
|
||||
\big[\zeta_{\ell,1},\ldots,\zeta_{\ell,K}\big]^\Tran,
|
||||
\end{equation}
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||||
$\boldsymbol\Xi\triangleq[\boldsymbol\xi_1,\ldots,\boldsymbol\xi_K]$，$\boldsymbol\nu_{\mathrm{ref}}\triangleq[\nu_{\mathrm{ref},1},\ldots,\nu_{\mathrm{ref},K}]^\Tran$。
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\subsection{多用户主参数与干扰参数}
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主参数堆叠为
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\begin{equation}
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||||
\boldsymbol\eta_{\mathrm{mu}}
|
||||
\triangleq
|
||||
\big[
|
||||
\boldsymbol\xi_1^\Tran,\nu_{\mathrm{ref},1},
|
||||
\ldots,
|
||||
\boldsymbol\xi_K^\Tran,\nu_{\mathrm{ref},K}
|
||||
\big]^\Tran
|
||||
\in\mathbb R^{3K}.
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||||
\end{equation}
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干扰参数为各星各用户的复增益与噪声方差
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\begin{equation}
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||||
\boldsymbol\psi_{\mathrm{mu}}
|
||||
=
|
||||
\Big[
|
||||
\{\zeta_{\ell,k}\}_{\ell,k},
|
||||
\{\sigma_{n,\ell}^2\}_{\ell=0}^{L-1}
|
||||
\Big]^\Tran.
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||||
\end{equation}
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当 $K=1$ 时 $\boldsymbol\eta_{\mathrm{mu}}$ 退化为 $\boldsymbol\eta_{\mathrm{stat}}$，对应正文第~\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节。
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\subsection{联合似然与集中似然}
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各星条件独立，圆对称复高斯，多用户联合负对数似然为
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\begin{equation}
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||||
\mathcal L_{\mathrm{mu}}(\boldsymbol\eta_{\mathrm{mu}},\boldsymbol\psi_{\mathrm{mu}})
|
||||
=
|
||||
\sum_{\ell=0}^{L-1}
|
||||
\left[
|
||||
M_\ell T\log\sigma_{n,\ell}^2
|
||||
+
|
||||
\frac{1}{\sigma_{n,\ell}^2}
|
||||
\left\|
|
||||
\tilde{\mathbf y}_\ell
|
||||
-
|
||||
\mathbf G_\ell(\boldsymbol\Xi,\boldsymbol\nu_{\mathrm{ref}})\boldsymbol\zeta_\ell
|
||||
\right\|_2^2
|
||||
\right].
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||||
\end{equation}
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||||
在 $\mathbf G_\ell$ 列满秩的假设下（要求 $K\le M_\ell T$ 且各列方向充分分离），对 $\boldsymbol\zeta_\ell$ 的闭式消元给出
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\begin{equation}
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||||
\widehat{\boldsymbol\zeta}_\ell(\boldsymbol\eta_{\mathrm{mu}})
|
||||
=
|
||||
\big(\mathbf G_\ell^\Herm\mathbf G_\ell\big)^{-1}
|
||||
\mathbf G_\ell^\Herm
|
||||
\tilde{\mathbf y}_\ell.
|
||||
\end{equation}
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代回并再对 $\sigma_{n,\ell}^2$ 轮廓化（与第~\ref{sec:det_doa_est} 节完全平行），得到多用户集中似然准则
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\begin{equation}
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\label{eq:sec4_concentrated}
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||||
\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{mu}}
|
||||
=
|
||||
\arg\min_{\boldsymbol\Xi,\boldsymbol\nu_{\mathrm{ref}}}
|
||||
\sum_{\ell=0}^{L-1}
|
||||
M_\ell T
|
||||
\log
|
||||
\left[
|
||||
\tilde{\mathbf y}_\ell^\Herm
|
||||
\mathcal P_{\mathbf G_\ell}^{\perp}
|
||||
\tilde{\mathbf y}_\ell
|
||||
\right],
|
||||
\end{equation}
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其中 $\mathcal P_{\mathbf G_\ell}\triangleq\mathbf G_\ell(\mathbf G_\ell^\Herm\mathbf G_\ell)^{-1}\mathbf G_\ell^\Herm$，$\mathcal P_{\mathbf G_\ell}^{\perp}=\mathbf I_{M_\ell T}-\mathcal P_{\mathbf G_\ell}$。详细矩阵代入见附录~\ref{subsec:E2_multiUserMultiSatCrb}。
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若噪声方差已知，可退化为加权空时匹配形式
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\begin{equation}
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||||
\widehat{\boldsymbol\eta}_{\mathrm{mu}}
|
||||
=
|
||||
\arg\max_{\boldsymbol\Xi,\boldsymbol\nu_{\mathrm{ref}}}
|
||||
\sum_{\ell=0}^{L-1}
|
||||
\frac{1}{\sigma_{n,\ell}^2}
|
||||
\tilde{\mathbf y}_\ell^\Herm
|
||||
\mathcal P_{\mathbf G_\ell}
|
||||
\tilde{\mathbf y}_\ell.
|
||||
\end{equation}
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与第~\ref{sec:multiArrayStatDetDoaDopplerEst} 节的单用户加权融合相比，差别在于每颗卫星的匹配子空间从一维 $\mathbf g_\ell$ 升级为 $K$ 维 $\mathbf G_\ell$ 列空间；多用户的耦合\emph{在每颗卫星内部}通过 $\mathbf G_\ell^\Herm\mathbf G_\ell$ 的非对角元体现。
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\subsection{用户分离的可辨识性}
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\label{subsec:userSeparability}
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\eqref{eq:sec4_concentrated} 的目标函数依赖于矩阵 $\mathbf G_\ell$ 是否列满秩。考虑两个用户 $(k,k')$，其空时导向向量在第 $\ell$ 颗卫星上的内积
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\begin{equation}
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\rho_{\ell,kk'}
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\triangleq
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\frac{\big|\mathbf g_{\ell,k}^\Herm\mathbf g_{\ell,k'}\big|}
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{\|\mathbf g_{\ell,k}\|_2\,\|\mathbf g_{\ell,k'}\|_2}
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\end{equation}
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描述了二者在该卫星空时维度上的相干度。$\rho_{\ell,kk'}$ 由三个因素共同决定：
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\begin{enumerate}
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\item 局部导向矢量相干 $|\mathbf a_\ell^\Herm(\boldsymbol\xi_k)\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi_{k'})|/(\|\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi_k)\|\|\mathbf a_\ell(\boldsymbol\xi_{k'})\|)$，反映两个用户在该星本地角度域的分离；
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\item 时间模板相干 $|\mathbf q_{\ell,k}^\Herm\mathbf q_{\ell,k'}|/(\|\mathbf q_{\ell,k}\|\|\mathbf q_{\ell,k'}\|)$，由 Doppler 差 $\nu_{\ell,k}-\nu_{\ell,k'}$ 与导频互相关共同决定；
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\item 二者通过 Kronecker 积联立后的乘积形式。
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\end{enumerate}
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当所有 $L$ 颗星上 $\rho_{\ell,kk'}\to 1$ 时，$\mathbf G_\ell$ 趋于秩亏，\eqref{eq:sec4_concentrated} 的 Hessian 在 $(\boldsymbol\xi_k,\nu_{\mathrm{ref},k})\leftrightarrow(\boldsymbol\xi_{k'},\nu_{\mathrm{ref},k'})$ 方向变得平坦，集中似然曲面在该方向出现伪极值，用户分离的可辨识性丧失。
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多星几何对这一可辨识性提供了关键缓解：即便某颗卫星上 $\rho_{\ell,kk'}\approx 1$（例如两个用户在该星本地角域内距离小于一个 beamwidth），只要存在另一颗卫星 $\ell'$ 使 $\rho_{\ell',kk'}$ 显著小于 1，多星联合的 $\sum_\ell\mathbf G_\ell^\Herm\mathbf G_\ell$ 块仍可保持非奇异。这是多星扩展相对单星多用户最直接的几何收益。
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严格可辨识性可写成对所有用户对 $(k,k')$ 的多星联合分离条件，其与 EFIM 非奇异性的等价关系由附录~\ref{subsec:E2_multiUserMultiSatCrb} 中多用户 \gls{fim} 分块给出。本节只用上述几何直觉刻画用户分离失效的结构来源，作为后续引入 AI 辅助 nuisance 补偿的物理动机。
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本节完成了多用户主线静态基线：用户索引 $k$ 进入 $\boldsymbol\xi_k$、$\nu_{\mathrm{ref},k}$、$\zeta_{\ell,k}$、$s_k(t)$，集中似然仍可写为对各星 $\mathbf G_\ell$ 列空间投影的加权和，但矩阵 $\mathbf G_\ell$ 的良态性约束了用户分离的可辨识性。
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下一节将进一步沿\emph{同步条件}维度推进，把星间完全相干放宽为带未知时间戳误差 $\delta_\ell$ 的部分相干观测。
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Reference in New Issue
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