摘要：通信感知一體化具有豐富的技術(shù)內(nèi)涵和應(yīng)用場(chǎng)景，已成為當(dāng)前6G研究熱點(diǎn)。分析了通信與雷達(dá)技術(shù)特征的異同，并從網(wǎng)絡(luò)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(yǔ)義視角下的一體化研究建議，以及未來網(wǎng)絡(luò)部署運(yùn)營(yíng)在頻譜、產(chǎn)品形態(tài)和感知專網(wǎng)等方面的建議。認(rèn)為在5G增強(qiáng)版和6G系統(tǒng)中開展通感一體化標(biāo)準(zhǔn)化工作，必將推動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)與雷達(dá)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(fù)責(zé)信息采集與信息傳遞，支撐后端的信息計(jì)算與應(yīng)用。在傳統(tǒng)信息處理流程中，感知與通信相對(duì)獨(dú)立。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)、雷達(dá)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(luò)不具備面向目標(biāo)的感知功能，感知功能由終端負(fù)責(zé)。

雷達(dá)是典型的無線感知終端，具有目標(biāo)檢測(cè)、定位、跟蹤、識(shí)別和成像等功能，長(zhǎng)期與通信獨(dú)立發(fā)展。20世紀(jì)60年代，一種通過雷達(dá)脈沖間隔調(diào)制通信消息的雷達(dá)通信系統(tǒng)誕生，成為通信感知一體化技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱通感一體化）的源頭[2]。20世紀(jì)90年代后，通信體制開始向正交頻分復(fù)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(dá)體制中，但在連續(xù)波體制雷達(dá)中，主流波形仍是Chirp信號(hào)。這個(gè)階段，通感一體化的重點(diǎn)是以雷達(dá)為中心，通過基于Chirp信號(hào)的信息調(diào)制實(shí)現(xiàn)通信功能[3]。

在5G時(shí)代，5G新空口（NR）引入定位參考信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了基站與終端的協(xié)同定位功能。此時(shí)，通感一體化開始以通信為中心，并進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)感知階段。隨著超大規(guī)模天線通信與雷達(dá)、毫米波通信與雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，通信與感知兩者技術(shù)特征、信道特征、應(yīng)用場(chǎng)景越發(fā)相似，呈現(xiàn)體制化融合發(fā)展態(tài)勢(shì)[4]。同時(shí)，智能化、沉浸式、數(shù)字孿生等新興業(yè)務(wù)的發(fā)展，極大提升了對(duì)目標(biāo)的高精度探測(cè)、定位、識(shí)別、成像與大帶寬、低時(shí)延信息傳遞等信息處理需求。因此，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，引入更強(qiáng)大的超越定位功能的感知能力，成為當(dāng)前5G增強(qiáng)與6G預(yù)研的核心目標(biāo)之一。太赫茲/可見光通感一體化開始受到關(guān)注。

以網(wǎng)絡(luò)感知為中心的通感一體化相關(guān)工作在中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）協(xié)會(huì)、IMT-2030（6G）推進(jìn)組陸續(xù)展開。當(dāng)前，人們對(duì)通感一體化技術(shù)的概念與內(nèi)涵已達(dá)成初步共識(shí)，通感一體化技術(shù)體系正在逐步完善[5]。外場(chǎng)測(cè)試工作正在進(jìn)行中，包括定位、識(shí)別與成像。初步測(cè)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(jìn)行信息采集的行為。感知發(fā)送機(jī)發(fā)送無線信號(hào)，感知接收機(jī)接收目標(biāo)反射的信號(hào)。系統(tǒng)通過信號(hào)處理算法提取信號(hào)中與目標(biāo)特征相關(guān)的參數(shù)，從而獲知目標(biāo)狀態(tài)。目標(biāo)狀態(tài)空間取決于上層任務(wù)的定義，可以是靜的位置狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、形狀屬性等空間，也可以是這些空間的組合?？臻g大?。闪炕淖钚顟B(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(jìn)行信息傳遞的行為。通信發(fā)送機(jī)發(fā)送無線信號(hào)，接收機(jī)接收經(jīng)信道衰變的信號(hào)。系統(tǒng)通過信號(hào)處理算法檢測(cè)信號(hào)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(hào)同樣可由公式（1）表示。與感知檢測(cè)相反，α（t）對(duì)于接收端已知（例如當(dāng)采用信道估計(jì)時(shí)，信道估計(jì)其實(shí)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(cè)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(hào)參數(shù)估計(jì)。但前者的目標(biāo)狀態(tài)空間遠(yuǎn)大于后者的調(diào)制狀態(tài)空間。因此，前者通常需要多符號(hào)累積檢測(cè)，后者僅需要單符號(hào)檢測(cè)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(diǎn)從無線信號(hào)格式角度討論一體化設(shè)計(jì)。通感一體化信號(hào)包括無線通信信號(hào)、無線感知信號(hào)、通感一體化信號(hào)3種。由2.1節(jié)可知，當(dāng)無線感知接收端已知部分無線通信信號(hào)參數(shù)，并可以基于通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)部分感知功能時(shí)，接收端可直接復(fù)用通信信號(hào)，不對(duì)通信信號(hào)做特別修改，僅需增加接收檢測(cè)算法設(shè)計(jì)。這就是基于無線通信信號(hào)的感知，例如基于WiFi信號(hào)和蜂窩信號(hào)的目標(biāo)檢測(cè)、天氣狀態(tài)檢測(cè)等。由于通信信號(hào)的非平穩(wěn)特性，感知性能會(huì)受限。

當(dāng)通信接收端已知無線感知信號(hào)參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)亦可借助感知信號(hào)實(shí)現(xiàn)通信功能，這被稱為基于無線感知信號(hào)的通信。它的基本原理是由信源端對(duì)感知信號(hào)進(jìn)行人工調(diào)控，使α（t）攜帶通信信息。人工調(diào)控感知信號(hào)方式包括超表面編碼、動(dòng)作編碼、幾何形狀編碼等，從而將無線感知的能力復(fù)用為通信能力。

一體化信號(hào)是指通信信號(hào)與感知信號(hào)以正交或非正交方式復(fù)用在同一頻段，從而同時(shí)具有感知與通信功能。這是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通感一體化技術(shù)的研究重點(diǎn)。這里，一體化信號(hào)由通感一體化發(fā)送機(jī)發(fā)送，但通信接收機(jī)與感知接收機(jī)可以根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行分離設(shè)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(shè)計(jì)等方面不斷取得突破，但在基礎(chǔ)理論、低復(fù)雜度方案與工程設(shè)計(jì)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(biāo)是提升頻譜利用效率和硬件效率。對(duì)于基于感知信號(hào)的通信和基于通信信號(hào)的感知來說，這兩類效率增益不證自明。但一體化信號(hào)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(biāo)，二是一體化性能指標(biāo)下的性能邊界。研究一體化性能邊界問題的一個(gè)目的是分析通信與感知性能之間的折中關(guān)系。這是因?yàn)樵谝惑w化信號(hào)設(shè)計(jì)中，通信與感知存在資源競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。折中關(guān)系分析可以幫助我們?cè)诜钦粡?fù)用信號(hào)和正交復(fù)用信號(hào)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(xué)者提出了針對(duì)特定感知任務(wù)的容量定義，但不具備擴(kuò)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(duì)雷達(dá)感知來說，更多是雜波干擾。感知的空間自由度來源于多個(gè)視線（LoS）分量，可以通過實(shí)孔徑或合成孔徑獲得，但對(duì)MIMO通信來說，難以提供自由度。因此，一體化設(shè)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(shè)計(jì)。不少學(xué)者提出了諸多解決方案，例如融合Chirp信號(hào)的OFDM波形，但具有回退功能的可工程化、可標(biāo)準(zhǔn)化的一體化波形還需要進(jìn)一步攻關(guān)。

（2）組網(wǎng)。傳統(tǒng)雷達(dá)無組網(wǎng)功能，沒有協(xié)同機(jī)制，相互之間的干擾全靠設(shè)備自身的抗干擾能力抑制。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通感一體化組網(wǎng)時(shí)，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(jī)制。由于雷達(dá)的波束成形、波束跟蹤和波束預(yù)測(cè)機(jī)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(shí)解決站內(nèi)與站間干擾問題的首選方案。

3.3工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)移動(dòng)通信設(shè)備是專用設(shè)備，目前正在向通用開放設(shè)備形態(tài)發(fā)展。例如，以雷達(dá)為代表的感知設(shè)備一直是專用設(shè)備。通信設(shè)備與感知設(shè)備對(duì)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(duì)設(shè)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(shè)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(shí)鐘精度，要對(duì)標(biāo)感知性能；二是信號(hào)處理時(shí)延抖動(dòng)、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(diǎn)數(shù)與采樣量化比特?cái)?shù)存在感知精度與復(fù)雜度折中挑戰(zhàn)；四是接收機(jī)靈敏度挑戰(zhàn)；五是天線隔離度挑戰(zhàn)，這是因?yàn)楫?dāng)通感一體化發(fā)送機(jī)與感知接收機(jī)同位置部署時(shí)，需要采用隔離方式減少通信感知間的干擾。

在進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要全面評(píng)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(shè)備架構(gòu)下的感知精度邊界評(píng)估，確定方案適用場(chǎng)景；另一方面開展給定感知精度指標(biāo)下的設(shè)備器件參數(shù)與性能指標(biāo)評(píng)估，做好器件選型。

4未來研究與建議

4.1語(yǔ)義視角下的通感一體化

通感一體化的優(yōu)勢(shì)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)將以任務(wù)為中心。一個(gè)任務(wù)生命周期包含多輪感知、通信、計(jì)算與應(yīng)用的迭代循環(huán)，直到系統(tǒng)從初始狀態(tài)達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)為止。此時(shí)，通感一體化設(shè)計(jì)目標(biāo)將是通過融合感知與通信環(huán)節(jié)，有效降低任務(wù)整體信息處理量與處理時(shí)延。面向任務(wù)的感知信息通常是目標(biāo)的特征信息，我們可以稱其為相對(duì)任務(wù)的語(yǔ)義信息。

語(yǔ)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(hào)編碼升級(jí)為語(yǔ)義編碼，將信源語(yǔ)義理解的任務(wù)從接收端前置到了發(fā)送端，從而可以降低帶寬。這里，語(yǔ)義是一種對(duì)信源信息表征的新方式，是完成任務(wù)所需的最低信息量。目前語(yǔ)義通信的研究重點(diǎn)是從感知到的原始信源信息中提取語(yǔ)義特征，然后編碼傳輸。從這個(gè)角度來說，既然不需要傳輸原始信息的非語(yǔ)義部分，也就沒有必要感知非語(yǔ)義的原始信息。而無線感知的本義恰恰就是對(duì)目標(biāo)做語(yǔ)義信息的感知?？梢灶A(yù)想，在未來窄帶視頻語(yǔ)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(yǔ)義。例如，在人臉通話場(chǎng)景中，基于毫米波或太赫茲一體化信號(hào)設(shè)計(jì)的近距離感知方案，可直接提取人臉表情、動(dòng)作等語(yǔ)義特征并編碼傳輸，在接收端通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型恢復(fù)人臉畫像（當(dāng)然，接收端需要具備人臉先驗(yàn)信息）。在自動(dòng)駕駛、無人機(jī)編隊(duì)、智能交互場(chǎng)景中，通感一體化同樣可以與語(yǔ)義通信相融合，以提升面向任務(wù)的信息處理效率。

4.2運(yùn)營(yíng)策略部署

（1）關(guān)于頻譜。通信頻譜資源在業(yè)務(wù)量持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)下一直呈稀缺狀態(tài)。在未來產(chǎn)業(yè)推進(jìn)中，我們應(yīng)重點(diǎn)考慮3點(diǎn)：一是積極部署基于無線通信信號(hào)的感知技術(shù)，不競(jìng)爭(zhēng)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(bǔ)充到26 GHz，與77 GHz通信雷達(dá)頻譜合并，然后進(jìn)行一體化信號(hào)設(shè)計(jì)，而不是僅在通信頻譜資源上疊加感知功能。當(dāng)然，如果一體化設(shè)備具備完全的回退能力，就可以考慮在低業(yè)務(wù)量時(shí)，在通信頻譜資源上生成感知功能。三是容許移動(dòng)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(jìn)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(jìn)行感知可能帶來負(fù)面影響。

（2）技術(shù)選型。雖然通感一體化信號(hào)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(jī)位置與數(shù)量的不同，技術(shù)類型是多種的。從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)感知服務(wù)角度看，基站配置通感一體化發(fā)送機(jī)，并根據(jù)感知業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求。在本站、他站或終端配置接收機(jī)，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(jī)，對(duì)收發(fā)雙方的時(shí)鐘、頻率與載波同步要求給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。

（3）產(chǎn)品形態(tài)。規(guī)模化網(wǎng)絡(luò)部署要求通感一體化設(shè)備應(yīng)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(shí)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(shè)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(luò)可能不太現(xiàn)實(shí)，況且目前也沒有明確的場(chǎng)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(chǎng)景建設(shè)感知專網(wǎng)，例如針對(duì)空管區(qū)域、交通要道、園區(qū)出入口、車間等場(chǎng)景，可建設(shè)具有最低通信功能的感知專網(wǎng)。

（5）感知功能管理實(shí)體。感知將是6G的內(nèi)生功能與業(yè)務(wù)能力，因此需要在核心網(wǎng)定義感知功能管理實(shí)體單元、不同感知業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）和面向語(yǔ)義的體驗(yàn)質(zhì)量（QoE），以接收感知業(yè)務(wù)請(qǐng)求，按照檢測(cè)、定位、跟蹤、識(shí)別、成像等不同感知業(yè)務(wù)類型，進(jìn)行業(yè)務(wù)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(biāo)準(zhǔn)化將是下一步工作重點(diǎn)。

5結(jié)束語(yǔ)

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(shì)?？紤]到日益增長(zhǎng)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(shí)還要積極引入額外感知頻譜，與通信頻譜進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)；另一方面應(yīng)重點(diǎn)設(shè)計(jì)具有完全功能回退的通用一體化設(shè)備，并進(jìn)行規(guī)模部署，制定專用感知方案，實(shí)現(xiàn)垂直行業(yè)應(yīng)用。我們相信，在5G增強(qiáng)版和后續(xù)6G系統(tǒng)中開展通感一體化標(biāo)準(zhǔn)化工作，必將推動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)與雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)信息產(chǎn)業(yè)和關(guān)聯(lián)行業(yè)的升級(jí)。

參考文獻(xiàn)

[1] AKAN O B， ARIK M. Internet of radars： sensing versus sending with joint radar-communications [J]. IEEE communications magazine， 2020， 58（9）： 13-19. DOI： 10.1109/MCOM.001.1900550

[2] MEALEY R M. A method for calculating error probabilities in a radar communication system [J]. IEEE transactions on space electronics and telemetry， 1963， 9（2）： 37-42. DOI： 10.1109/TSET.1963.4337601

[3] ROBERTON M， BROWN E R. Integrated radar and communications based on chirped spread-spectrum techniques [C]. IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. IEEE， 2003： 611-614. DOI： 10.1109/ MWSYM.2003.1211013

[4] LIUF，CUIYH，MASOUROSC，etal.Integratedsensingand communications： toward dual-functional wireless networks for 6G and beyond [J]. IEEE journal on selected areas in communications， 2022， 40（6）： 1728-1767. DOI： 10.1109/JSAC.2022.3156632

[5] IMT-2030（6G）推進(jìn)組.通信感知一體化技術(shù)研究報(bào)告[R]. 2021

作者簡(jiǎn)介

潘成康，中國(guó)移動(dòng)研究院技術(shù)經(jīng)理；主要從事5G應(yīng)用技術(shù)、6G感知通信計(jì)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(xiàng)。