江甲沫 韓凱峰 徐曉燕

摘要：面向6G通信感知一體化（ISAC）系統(tǒng)，從業(yè)務共存、能力互助、網絡共惠3個階段研究了技術演進趨勢，明確給出各階段的系統(tǒng)設計目標和性能指標需求。從通信性能、感知性能、資源分配和應用場景等維度，提出影響6G ISAC系統(tǒng)性能的四維邊界因素?；谔岢龅耐ǜ行屎屯ǜ行в脙蓚€新的性能指標，仿真評估了典型場景下的通信感知一體化系統(tǒng)性能，為后續(xù)進一步開展6G ISAC的系統(tǒng)設計和評估驗證工作提供了重要參考。

關鍵詞：ISAC；性能指標；效率；效用

Abstract： The development of 6G integrated sensing and communication （ISAC） systems is studied from three stages： traffic coexistence， ca？ pability cooperation， and network mutualism. The target of system design and requirement of performance metrics are proposed. The influ？ ence factors called four-dimension boundary factors of ISAC are presented in the four aspects： communication performance， sensing perfor？ mance， resource allocation， and application scenario. Based on two new performance metrics called ISAC efficiency and utility， the perfor？ mance of ISAC is simulated in typical scenarios. Some key suggestions for system design and evaluation are proposed for the evolution of 6G ISAC.

Keywords： ISAC； performance metric； efficiency； utility

未來6G將向毫米波、太赫茲等更高頻段發(fā)展，與感知頻段逐步交疊，孕育并催生通信感知一體化技術，以賦予6G網絡隨時隨地感知物理世界的能力[1]。作為新一代智能化綜合數(shù)字信息基礎設施，6G將與先進計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術交叉融合，實現(xiàn)通信與感知、計算、控制的深度融合，逐步具備泛在互聯(lián)、普惠智能、多維感知、全域覆蓋、綠色低碳、內生安全等典型特征[2]。在6G的典型場景和業(yè)務中，通信感知融合將成為具有代表性的新增場景和新型業(yè)務。6G通信感知一體化技術將利用無線通信信號，實現(xiàn)對目標的檢測、定位、識別、成像等感知功能，進而獲取和重構周圍的環(huán)境信息，推動6G網絡進入物理世界和數(shù)字世界融合的數(shù)字孿生時代。國際電信聯(lián)盟（ITU）面向2030的未來技術趨勢研究報告指出，通信感知一體化技術將成為新一代移動通信系統(tǒng)最有潛力的關鍵技術方向之一[3]。

對于6G通信感知一體化系統(tǒng)的性能指標設計，業(yè)界進行了多種探索。一方面，在通信感知一體化系統(tǒng)的通信和感知功能并存場景下，在保證通信或者感知功能性能需求的同時，對另一部分功能的性能進行優(yōu)化。文獻[4]提出了在保證用戶需求的信干噪比的情況下，最小化通信感知一體化系統(tǒng)的克拉美羅界（CRB），進而提升通信感知一體化系統(tǒng)的感知性能。另一方面，考慮是否有新的性能指標定義形式，綜合表征通信感知兩種功能的聯(lián)合性能。例如，部分學者基于感知互信息與時間的比值提出“估計速率”的概念[5]。文獻[6]研究了基于頻率資源復用的通信天線和感知天線的位置排列問題，提出了以最大化互信息（MI）作為優(yōu)化目標的思路。文獻[7]提出了將傳統(tǒng)通信指標和感知指標以加權的方式作為通感一體化的聯(lián)合指標的方法，并設計了“加權頻譜效率”的新指標。該指標由通信容量和估計速率加權構成。文獻[8]則以誤碼率和CRB加權作為新指標，研究了以最小化該指標為目標的波形設計方案。在組網技術方面，部分學者提出了“移動感知網絡”組網概念[9]，探討了通信感知一體化系統(tǒng)在網絡層面的性能指標。但總體來說，對于6G通信感知一體化性能指標的研究，業(yè)界尚未形成共識。

目前，面向6G通感一體化的研究還存在融合演進路徑不清、聯(lián)合性能刻畫維度模型難以建立、關鍵性能指標缺失等問題。為此，我們在第1章中，基于通信與感知能力協(xié)同水平，研究了“業(yè)務共存、能力互助、網絡共惠”通感一體化融合演進路徑，以明確各演進階段系統(tǒng)設計目標和性能指標需求；在第2章中，依據(jù)效率、可靠性、網絡化等指標類型，對通信和感知性能指標進行梳理和分類，并基于“通信性能、感知性能、資源分配、應用場景”等4個維度，提出刻畫通感一體化業(yè)務共存階段的性能邊界體系架構，為通感性能極限等理論研究提供分析框架；在第3章中，創(chuàng)新地提出“通感效率”指標和“通感效用”指標，分別刻畫單位感知精度下的可達通信容量以及最優(yōu)通信和感知性能的可實現(xiàn)程度，并針對典型通感業(yè)務進行仿真驗證，為開展6G通感評估與測試工作提供重要參考；最后在第4章中對全文進行總結，并提出下一步的研究方向。

1通感性能指標的需求

在6G通信感知一體化的技術發(fā)展過程中，通信與感知將分階段、分層次融合演進，其技術趨勢主要包括業(yè)務共存、能力互助、網絡共惠3個階段（圖1所示）?；谝陨?個階段的發(fā)展，最終6G的內生感知能力將得以實現(xiàn)。在通信感知一體化技術發(fā)展的不同階段，面對不同的技術關注點和業(yè)務需求，系統(tǒng)性能也有不同的優(yōu)化方向。因此，我們應考慮不同的通信感知一體化系統(tǒng)的性能指標。

（1）根據(jù)可用資源刻畫最優(yōu)性能邊界及可達性能域。資源分配維度主要包括時域、頻域、空域、碼域、能量域等可用資源維度。在給定資源條件下，根據(jù)資源分配策略來權衡通信與感知性能，并由此刻畫出在該資源條件下的最優(yōu)性能邊界及可達性能域。

（2）針對不同的應用場景選擇適配的性能指標組合。感知性能指標與感知業(yè)務場景強相關，因此需要根據(jù)不同的通感應用場景，靈活選擇適宜的通信和感知性能指標組合。

（3）在給定有限可用資源的情況下，需要著重研究并定義“通感效率/效用”指標。在考慮不同通感技術方案的橫向優(yōu)劣對比時，建議在給定可用資源的情況下，比較可達感知和通信的性能，即比較不同技術方案的“通感效率/效用”指標。

3.1新性能指標的定義

本節(jié)首先給出通感效率和通感效用兩個關于6G通信感知一體化的性能指標新定義。

（1）通感效率指標

圖6給出了通感效率隨著導頻數(shù)量的變化趨勢曲線。特別地，當信噪比設置為20 dB，κ設置為0.1時，如圖6所示，測距和測速的通感效率均隨著導頻數(shù)量的增加呈現(xiàn)先增大至最大值后遞減的趨勢。這是由于當導頻數(shù)量較少時，增加導頻數(shù)量可以提升感知的準確度。此時提升信道估計的精度可以增加信道容量，從而提高通感效率。然而，當導頻數(shù)量足夠多時，信道估計的精度和感知的準確度趨于飽和。繼續(xù)增加導頻數(shù)量會使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)目捎觅Y源減小，降低信道容量，進而降低通感效率。因此，我們可以通過設計并優(yōu)化導頻分配方案來提升通感一體化系統(tǒng)的通感效率。

圖7（a）和圖7（b）分別給出了測距通感效率和測速通感效率隨信噪比的變化趨勢曲線。特別地，當載波波長設置為λ= 5 mm時，如圖7所示，相較于固定導頻數(shù)的3種方案，最優(yōu)的導頻分配方案能夠始終實現(xiàn)通感效率的最大化。如圖7（a）所示的測距通感效率，當信噪比較低時，為實現(xiàn)通感效率的最大化，一定數(shù)量的導頻資源是必要的；當信噪比較高時，隨著信道估計增益和感知精度的飽和，較少導頻資源開銷能夠提供更優(yōu)的通感效率。如圖7（b）所示的測速通感效率，少量導頻資源的分配方案在全信噪比下獲得的通感效率都較低；大量導頻資源的分配方案獲得的通感效率會隨著信噪比的增加而緩慢提升，這說明測速業(yè)務需要合適數(shù)量的導頻資源以實現(xiàn)通信業(yè)務和感知業(yè)務間的性能平衡。此外，從圖7（a）和圖7（b）還可以看出：對于不同的感知業(yè)務，導頻的最優(yōu)分配方案也存在著顯著的差異，因此不同業(yè)務需要定制化設計資源分配方案。

圖8（a）和圖8（b）分別給出了測距通感效用和測速通感效用隨導頻數(shù)量的變化趨勢曲線。如圖8（a）所示的測距通感效用曲線，當η= 0.4時，由于更側重于業(yè)務的感知功能，通感效用在將全部資源用作導頻時取得最大值。然而此時通信業(yè)務不能正常進行，因此需要設置一個保障通信功能正常運行的閾值。當η= 0.5時，業(yè)務的通信功能和感知功能并重，此時可以通過設計導頻資源分配的優(yōu)化方案使系統(tǒng)的通感效用達到最大。當η= 0.6時，由于更側重于業(yè)務的通信功能，通感效用在導頻數(shù)量較少時取得最大值，為了滿足感知業(yè)務的測參精度要求，也需要設置一個保障感知功能正常運行的閾值。如圖8（b）所示，測試通感效用曲線包含極大和極小兩個峰值。為了避免過多的性能資源浪費，我們在進行通感一體化設計時需要規(guī)避極小值區(qū)間的可行資源分配方案。

4結束語

通信感知一體化技術已經被廣泛認為是6G通信系統(tǒng)中最具潛力的關鍵技術之一，而多維感知的業(yè)務需求也對6G通信系統(tǒng)的設計和通信感知一體化技術的發(fā)展提出了更高的要求。隨著6G通信系統(tǒng)的愿景、需求、指標、關鍵技術、評估和驗證的發(fā)展，在標準推動的過程中，性能指標的設計將成為關鍵要素之一。如何在不同的技術演進階段、不同的業(yè)務場景下充分評價通信感知一體化的性能，將一直是后續(xù)相關領域技術發(fā)展的基礎。

致謝

中國信息通信研究院沈霞副高級工程師、徐明楓工程師在本研究中承擔了重要工作，對他們表示感謝！同時本研究得到了北京郵電大學趙中原副教授的幫助，在此一并感謝！

參考文獻

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作者簡介

江甲沫，中國信息通信研究院主任工程師、中國通信標準化協(xié)會無線通信技術工作委員會前沿無線技術工作組組長；主要研究方向為6G通信感知一體化、6G無線與人工智能融合、6G原型驗證系統(tǒng)設計等；主持和參與多項國家級和省部級項目，獲省部級科技成果獎項一等獎2項；發(fā)表論文30余篇。

韓凱峰，中國信息通信研究院副高級工程師；主要研究方向為面向6G的無線人工智能、通信感知一體化技術；主持和參與省部級研究項目4項、中國通信學會研究課題7項；發(fā)表論文30余篇。

徐曉燕，中國信息通信研究院副高級工程師；主要研究方向為面向6G的技術預研、ITU相關標準制定等。