通信感知一體化技術(shù)思考

摘要：通信感知一體化具有豐富的技術(shù)內(nèi)涵和應用場景，已成為當前6G研究熱點。分析了通信與雷達技術(shù)特征的異同，并從網(wǎng)絡感知角度探討了通感一體化面臨的理論、技術(shù)與工程挑戰(zhàn)。給出了語義視角下的一體化研究建議，以及未來網(wǎng)絡部署運營在頻譜、產(chǎn)品形態(tài)和感知專網(wǎng)等方面的建議。認為在5G增強版和6G系統(tǒng)中開展通感一體化標準化工作，必將推動通信產(chǎn)業(yè)與雷達產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。

關(guān)鍵詞：6G；通信感知一體化；感知專網(wǎng)

Abstract： The integrated sensing and communication （ISAC） has rich technical connotations and application scenarios， becoming a hot re？ search topic in 6G. The similarities and differences between the technical characteristics of communication and radar are analyzed. The theory， technology， and engineering challenges of the ISAC from the perspective of network sensing function are discussed. The research suggestions on the joint design of ISAC and semantic communications are proposed， as well as the suggestions for future network deploy？ ment and operation in terms of spectrum， product form， and private sensing network. It is believed that the standardization of ISAC in the 5G enhanced version and 6G system will certainly promote the integrated development of communication industry and radar industry.

Keywords： 6G； ISAC； private sensing network

1通信感知一體化技術(shù)背景

感知與通信分別是信息處理的前端與中間環(huán)節(jié)，負責信息采集與信息傳遞，支撐后端的信息計算與應用。在傳統(tǒng)信息處理流程中，感知與通信相對獨立。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)、雷達互聯(lián)網(wǎng)[1]、無線傳感網(wǎng)等技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，都延續(xù)了這種架構(gòu)。這些網(wǎng)絡不具備面向目標的感知功能，感知功能由終端負責。

雷達是典型的無線感知終端，具有目標檢測、定位、跟蹤、識別和成像等功能，長期與通信獨立發(fā)展。20世紀60年代，一種通過雷達脈沖間隔調(diào)制通信消息的雷達通信系統(tǒng)誕生，成為通信感知一體化技術(shù)（以下簡稱通感一體化）的源頭[2]。20世紀90年代后，通信體制開始向正交頻分復用調(diào)制（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）發(fā)展。其中，OFDM成為通信主流波形。隨后，MIMO技術(shù)也被引入雷達體制中，但在連續(xù)波體制雷達中，主流波形仍是Chirp信號。這個階段，通感一體化的重點是以雷達為中心，通過基于Chirp信號的信息調(diào)制實現(xiàn)通信功能[3]。

在5G時代，5G新空口（NR）引入定位參考信號，實現(xiàn)了基站與終端的協(xié)同定位功能。此時，通感一體化開始以通信為中心，并進入網(wǎng)絡感知階段。隨著超大規(guī)模天線通信與雷達、毫米波通信與雷達技術(shù)的發(fā)展，通信與感知兩者技術(shù)特征、信道特征、應用場景越發(fā)相似，呈現(xiàn)體制化融合發(fā)展態(tài)勢[4]。同時，智能化、沉浸式、數(shù)字孿生等新興業(yè)務的發(fā)展，極大提升了對目標的高精度探測、定位、識別、成像與大帶寬、低時延信息傳遞等信息處理需求。因此，在蜂窩網(wǎng)絡中，引入更強大的超越定位功能的感知能力，成為當前5G增強與6G預研的核心目標之一。太赫茲/可見光通感一體化開始受到關(guān)注。

以網(wǎng)絡感知為中心的通感一體化相關(guān)工作在中國通信標準化協(xié)會（CCSA）協(xié)會、IMT-2030（6G）推進組陸續(xù)展開。當前，人們對通感一體化技術(shù)的概念與內(nèi)涵已達成初步共識，通感一體化技術(shù)體系正在逐步完善[5]。外場測試工作正在進行中，包括定位、識別與成像。初步測試結(jié)果證明了通感一體化的可行性與性能增益。

2通感一體化技術(shù)特征

2.1無線通信與無線感知技術(shù)分析

無線感知是以無線電為媒介進行信息采集的行為。感知發(fā)送機發(fā)送無線信號，感知接收機接收目標反射的信號。系統(tǒng)通過信號處理算法提取信號中與目標特征相關(guān)的參數(shù)，從而獲知目標狀態(tài)。目標狀態(tài)空間取決于上層任務的定義，可以是靜的位置狀態(tài)、運動狀態(tài)、形狀屬性等空間，也可以是這些空間的組合?？臻g大小（可量化的最小狀態(tài)變量集）由感知系統(tǒng)的能力（工作范圍與精度）決定。

無線通信是以無線電為媒介進行信息傳遞的行為。通信發(fā)送機發(fā)送無線信號，接收機接收經(jīng)信道衰變的信號。系統(tǒng)通過信號處理算法檢測信號中的調(diào)制參數(shù)獲得源端編碼信息。同樣，這里可調(diào)控的參量有相位、幅度、頻率等。參量的變化由編碼信息調(diào)控，用來表征信息。參量狀態(tài)空間由調(diào)制方式?jīng)Q定。通信接收端接收到的信號同樣可由公式（1）表示。與感知檢測相反，α（t）對于接收端已知（例如當采用信道估計時，信道估計其實就是上述無線感知過程），而x（A（t）， f （t），φ（t））是不確定的。檢測算法（即解調(diào)算法）可從調(diào)制狀態(tài)空間中求解x（t）中的參量值。

由以上分析可知，無線感知與無線通信本質(zhì)上都是信號參數(shù)估計。但前者的目標狀態(tài)空間遠大于后者的調(diào)制狀態(tài)空間。因此，前者通常需要多符號累積檢測，后者僅需要單符號檢測即可。前者大帶寬用來提升精度，后者大帶寬用來提升速率。

2.2通感一體化思路

本節(jié)重點從無線信號格式角度討論一體化設計。通感一體化信號包括無線通信信號、無線感知信號、通感一體化信號3種。由2.1節(jié)可知，當無線感知接收端已知部分無線通信信號參數(shù)，并可以基于通信信號實現(xiàn)部分感知功能時，接收端可直接復用通信信號，不對通信信號做特別修改，僅需增加接收檢測算法設計。這就是基于無線通信信號的感知，例如基于WiFi信號和蜂窩信號的目標檢測、天氣狀態(tài)檢測等。由于通信信號的非平穩(wěn)特性，感知性能會受限。

當通信接收端已知無線感知信號參數(shù)時，系統(tǒng)亦可借助感知信號實現(xiàn)通信功能，這被稱為基于無線感知信號的通信。它的基本原理是由信源端對感知信號進行人工調(diào)控，使α（t）攜帶通信信息。人工調(diào)控感知信號方式包括超表面編碼、動作編碼、幾何形狀編碼等，從而將無線感知的能力復用為通信能力。

一體化信號是指通信信號與感知信號以正交或非正交方式復用在同一頻段，從而同時具有感知與通信功能。這是當前網(wǎng)絡通感一體化技術(shù)的研究重點。這里，一體化信號由通感一體化發(fā)送機發(fā)送，但通信接收機與感知接收機可以根據(jù)業(yè)務場景進行分離設置。

3通感一體化技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

通感一體化在技術(shù)方案與原型設計等方面不斷取得突破，但在基礎理論、低復雜度方案與工程設計上仍面臨挑戰(zhàn)。

3.1理論挑戰(zhàn)

（1）一體化性能增益邊界。通感一體化最初的目標是提升頻譜利用效率和硬件效率。對于基于感知信號的通信和基于通信信號的感知來說，這兩類效率增益不證自明。但一體化信號目前還存在兩大理論挑戰(zhàn)：一是統(tǒng)一的一體化性能指標，二是一體化性能指標下的性能邊界。研究一體化性能邊界問題的一個目的是分析通信與感知性能之間的折中關(guān)系。這是因為在一體化信號設計中，通信與感知存在資源競爭關(guān)系。折中關(guān)系分析可以幫助我們在非正交復用信號和正交復用信號兩種方案中做出合理的選擇。

通信效率可以由頻譜效率（bit·s-1·Hz-1）或能效（bit/J）表征，但目前感知效率還沒有統(tǒng)一定義。感知通常以分辨率和精度為性能度量單位，還沒有與通信容量類似的感知容量定義。有部分學者提出了針對特定感知任務的容量定義，但不具備擴展性與普適性。

（2）空間自由度。MIMO通信的空間自由度來源于多徑信道，但多徑信道對雷達感知來說，更多是雜波干擾。感知的空間自由度來源于多個視線（LoS）分量，可以通過實孔徑或合成孔徑獲得，但對MIMO通信來說，難以提供自由度。因此，一體化設備面臨著空間自由度的兩難問題。

3.2技術(shù)挑戰(zhàn)

（1）一體化波形設計。不少學者提出了諸多解決方案，例如融合Chirp信號的OFDM波形，但具有回退功能的可工程化、可標準化的一體化波形還需要進一步攻關(guān)。

（2）組網(wǎng)。傳統(tǒng)雷達無組網(wǎng)功能，沒有協(xié)同機制，相互之間的干擾全靠設備自身的抗干擾能力抑制。在進行網(wǎng)絡通感一體化組網(wǎng)時，我們可以考慮異頻組網(wǎng)。然而，同頻組網(wǎng)還需要建立基站間的抗干擾協(xié)調(diào)機制。由于雷達的波束成形、波束跟蹤和波束預測機制與大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)具有相似性，因此協(xié)同波束成形和波束跟蹤將是同時解決站內(nèi)與站間干擾問題的首選方案。

3.3工程設計挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)移動通信設備是專用設備，目前正在向通用開放設備形態(tài)發(fā)展。例如，以雷達為代表的感知設備一直是專用設備。通信設備與感知設備對相關(guān)器件參數(shù)與性能要求不一致。通常情況下，感知功能對設備和器件的參數(shù)與性能要求更為苛刻。這給通用化通信設備帶來五大挑戰(zhàn)：一是器件精度，尤其是模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）/模數(shù)轉(zhuǎn)換（DAC）的量化精度、鎖相環(huán)精度、時鐘精度，要對標感知性能；二是信號處理時延抖動、高穩(wěn)定的器件帶來的成本挑戰(zhàn)；三是快速傅里葉變換（FFT）點數(shù)與采樣量化比特數(shù)存在感知精度與復雜度折中挑戰(zhàn)；四是接收機靈敏度挑戰(zhàn)；五是天線隔離度挑戰(zhàn)，這是因為當通感一體化發(fā)送機與感知接收機同位置部署時，需要采用隔離方式減少通信感知間的干擾。

在進行實際工程設計時，需要全面評估系統(tǒng)誤差因素與非系統(tǒng)誤差因素帶來的影響。通過建立誤差分析模型，我們一方面開展給定通用通信設備架構(gòu)下的感知精度邊界評估，確定方案適用場景；另一方面開展給定感知精度指標下的設備器件參數(shù)與性能指標評估，做好器件選型。

4未來研究與建議

4.1語義視角下的通感一體化

通感一體化的優(yōu)勢不僅在于可以提升頻譜利用效率和硬件效率，還在于可以提升信息處理效率。未來移動網(wǎng)絡服務將以任務為中心。一個任務生命周期包含多輪感知、通信、計算與應用的迭代循環(huán)，直到系統(tǒng)從初始狀態(tài)達到目標狀態(tài)為止。此時，通感一體化設計目標將是通過融合感知與通信環(huán)節(jié)，有效降低任務整體信息處理量與處理時延。面向任務的感知信息通常是目標的特征信息，我們可以稱其為相對任務的語義信息。

語義通信是為了降低傳輸帶寬需求而得到廣泛關(guān)注的6G候選技術(shù)，它將信源編碼從符號編碼升級為語義編碼，將信源語義理解的任務從接收端前置到了發(fā)送端，從而可以降低帶寬。這里，語義是一種對信源信息表征的新方式，是完成任務所需的最低信息量。目前語義通信的研究重點是從感知到的原始信源信息中提取語義特征，然后編碼傳輸。從這個角度來說，既然不需要傳輸原始信息的非語義部分，也就沒有必要感知非語義的原始信息。而無線感知的本義恰恰就是對目標做語義信息的感知?？梢灶A想，在未來窄帶視頻語義通信中，像素概念可能消失在發(fā)送端，代替它的將是感知語義。例如，在人臉通話場景中，基于毫米波或太赫茲一體化信號設計的近距離感知方案，可直接提取人臉表情、動作等語義特征并編碼傳輸，在接收端通過機器學習模型恢復人臉畫像（當然，接收端需要具備人臉先驗信息）。在自動駕駛、無人機編隊、智能交互場景中，通感一體化同樣可以與語義通信相融合，以提升面向任務的信息處理效率。

4.2運營策略部署

（1）關(guān)于頻譜。通信頻譜資源在業(yè)務量持續(xù)增長的態(tài)勢下一直呈稀缺狀態(tài)。在未來產(chǎn)業(yè)推進中，我們應重點考慮3點：一是積極部署基于無線通信信號的感知技術(shù)，不競爭通信頻譜資源。二是積極引入額外的感知頻譜資源，例如將24 GHz補充到26 GHz，與77 GHz通信雷達頻譜合并，然后進行一體化信號設計，而不是僅在通信頻譜資源上疊加感知功能。當然，如果一體化設備具備完全的回退能力，就可以考慮在低業(yè)務量時，在通信頻譜資源上生成感知功能。三是容許移動終端在不干擾基站感知功能的前提下，共享無線感知頻譜進行本地感知。在終端較為密集的小區(qū)，終端采用與基站相同頻譜進行感知可能帶來負面影響。

（2）技術(shù)選型。雖然通感一體化信號僅有如2.2節(jié)介紹的3種形式，但是根據(jù)感知收發(fā)機位置與數(shù)量的不同，技術(shù)類型是多種的。從網(wǎng)絡運營感知服務角度看，基站配置通感一體化發(fā)送機，并根據(jù)感知業(yè)務場景需求。在本站、他站或終端配置接收機，是一種較為理想的技術(shù)路徑。然而，在他站和終端配置接收機，對收發(fā)雙方的時鐘、頻率與載波同步要求給系統(tǒng)設計帶來挑戰(zhàn)。

（3）產(chǎn)品形態(tài)。規(guī)?；W(wǎng)絡部署要求通感一體化設備應該具有通用性和高效性。理想情況下，在不需要感知功能的時候，感知資源（如硬件資源和頻譜資源）可以完全釋放給通信，反之亦然。這就要求產(chǎn)品形態(tài)具備完全的功能回退能力——除了用于部署感知專網(wǎng)的設備。

（4）感知專網(wǎng)。像無縫覆蓋的通信網(wǎng)那樣部署無縫覆蓋的感知網(wǎng)絡可能不太現(xiàn)實，況且目前也沒有明確的場景需求。因此，在未來商用化過程中，我們可以分階段、分區(qū)域、分場景建設感知專網(wǎng)，例如針對空管區(qū)域、交通要道、園區(qū)出入口、車間等場景，可建設具有最低通信功能的感知專網(wǎng)。

（5）感知功能管理實體。感知將是6G的內(nèi)生功能與業(yè)務能力，因此需要在核心網(wǎng)定義感知功能管理實體單元、不同感知業(yè)務的服務質(zhì)量（QoS）和面向語義的體驗質(zhì)量（QoE），以接收感知業(yè)務請求，按照檢測、定位、跟蹤、識別、成像等不同感知業(yè)務類型，進行業(yè)務感知、功能編排感知和資源調(diào)度感知。相關(guān)功能、接口與流程的標準化將是下一步工作重點。

5結(jié)束語

無論是為了提升頻譜利用效率、硬件效率還是信息處理效率，通感一體化都是必然趨勢。考慮到日益增長的信息處理需求，一方面可以在現(xiàn)有通信頻譜中引入感知功能，同時還要積極引入額外感知頻譜，與通信頻譜進行一體化設計；另一方面應重點設計具有完全功能回退的通用一體化設備，并進行規(guī)模部署，制定專用感知方案，實現(xiàn)垂直行業(yè)應用。我們相信，在5G增強版和后續(xù)6G系統(tǒng)中開展通感一體化標準化工作，必將推動通信產(chǎn)業(yè)與雷達產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，實現(xiàn)信息產(chǎn)業(yè)和關(guān)聯(lián)行業(yè)的升級。

參考文獻

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作者簡介

潘成康，中國移動研究院技術(shù)經(jīng)理；主要從事5G應用技術(shù)、6G感知通信計算一體化和6G通信量子加速研究工作；發(fā)表論文30余篇，擁有專利20余項。