劉光毅，樓夢(mèng)婷，王啟星，金婧，張小舟，王亞娟

（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

5G 實(shí)現(xiàn)了通信能力從僅提供簡(jiǎn)單的語(yǔ)音/短信服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)到萬(wàn)物互聯(lián)的質(zhì)的飛躍。面向2030+，6G 將推動(dòng)社會(huì)走向“數(shù)字孿生”和“智慧泛在”，真正實(shí)現(xiàn)虛擬世界和物理世界的融合交互[1]。同時(shí)，6G 也將建立更加多維的能力體系，除提升傳統(tǒng)的通信能力之外，還將提供計(jì)算、感知、人工智能和安全等全新能力，以更好地支持未來(lái)虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字孿生世界所催生的各種全新應(yīng)用場(chǎng)景需求。特別是人工智能業(yè)務(wù)、沉浸式業(yè)務(wù)和數(shù)字孿生業(yè)務(wù)正廣泛滲透到垂直應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)6G 網(wǎng)絡(luò)提出了更高的訴求。其中，感知能力將會(huì)成為未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要能力和特性。未來(lái)網(wǎng)絡(luò)和終端將具備通信和感知能力，不僅催生業(yè)務(wù)耦合與信息處理等6G 基礎(chǔ)新理論，構(gòu)建內(nèi)生感知新能力，使能基于位置、測(cè)距和成像等新業(yè)務(wù)，同時(shí)還將孕育無(wú)人駕駛、無(wú)人制造等新業(yè)態(tài)，加速通信技術(shù)應(yīng)用深度的拓展。

通信感知一體化旨在通過(guò)一體化設(shè)計(jì)（頻譜資源共享、一體化空口、一體化硬件架構(gòu)等）、多點(diǎn)協(xié)作和信息智能交互，實(shí)現(xiàn)感知與通信功能的協(xié)同，有效提升系統(tǒng)頻譜效率和硬件資源利用率，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)現(xiàn)意義[2-3]。早期通信和雷達(dá)系統(tǒng)由于業(yè)務(wù)需求不同，一直被獨(dú)立研究。在各類新型應(yīng)用需求與技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，無(wú)線通信頻譜向支持更大帶寬的毫米波、太赫茲甚至可見(jiàn)光等更高頻段演進(jìn)，兩者之間的界限逐漸淡化，更多系統(tǒng)層面的相似性逐漸顯現(xiàn)。在工作頻段方面，高頻段和大帶寬可支持更高分辨率、更高速度下的感知能力，通信和雷達(dá)的工作頻段均不斷擴(kuò)展，逐漸有所重合，在相同頻譜實(shí)現(xiàn)通信與感知功能，提升頻譜利用率，是技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)選路徑。在系統(tǒng)架構(gòu)方面，通信和雷達(dá)系統(tǒng)在基帶信號(hào)設(shè)計(jì)和射頻部分具有相似性，有望實(shí)現(xiàn)共用基帶信號(hào)和共用射頻的一體化設(shè)計(jì)。

本文首先探討通信感知一體化設(shè)計(jì)，提出并分析工作模式和典型技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景；然后介紹通信感知一體化系統(tǒng)架構(gòu)以及空口融合、網(wǎng)絡(luò)融合、硬件架構(gòu)與設(shè)計(jì)等核心使能技術(shù)，并給出技術(shù)研究建議；最后從成本、部署、功耗、隱私等角度分析了通信感知一體化的應(yīng)用挑戰(zhàn)，為未來(lái)通信感知一體化技術(shù)演進(jìn)、應(yīng)用探討提供相關(guān)參考。

1 工作模式及應(yīng)用場(chǎng)景

1.1 工作模式

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，通信感知一體化技術(shù)根據(jù)感知主體和被感知目標(biāo)信息交互方式的不同，可以有兩類工作模式，具體如圖1 所示。

（1）獨(dú)立感知

感知主體為具有主動(dòng)發(fā)送感知信息能力的節(jié)點(diǎn)，感知目標(biāo)通過(guò)其表面直接反射回波信息但并不需要主動(dòng)反饋信息。該工作模式由于不依賴于終端的參與，可以消除因?yàn)楦兄繕?biāo)收發(fā)時(shí)間引起的同步精度誤差，從而提升感知精度。圖1（a）中的節(jié)點(diǎn)A 作為感知主體的基站，可主動(dòng)發(fā)送通信感知一體化信號(hào)給環(huán)境內(nèi)探測(cè)目標(biāo)，如無(wú)人機(jī)、行人、車輛等感知目標(biāo)，并接收來(lái)自目標(biāo)反射的回波信號(hào)，進(jìn)而獲取被感知目標(biāo)精準(zhǔn)的定位信息以輔助通信、環(huán)境重構(gòu)等。與之類似，圖1（a）中的節(jié)點(diǎn)B也可以是廣泛應(yīng)用于智慧工廠、智慧醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)等場(chǎng)景中的任一終端，對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行感知和處理分析，以執(zhí)行下一步正確的操作。

該工作模式由于收發(fā)處理均在同一個(gè)感知主體，收發(fā)感知信息幾乎同時(shí)進(jìn)行，因此對(duì)感知主體的自干擾刪除能力提出了更高的要求。另一方面，在組網(wǎng)模式下，獨(dú)立感知的節(jié)點(diǎn)同樣受到其他通信節(jié)點(diǎn)的干擾，節(jié)點(diǎn)間的互干擾抑制是提高獨(dú)立感知性能的重要一環(huán)。此外，實(shí)際環(huán)境中的多徑信息將會(huì)是其面臨的另一挑戰(zhàn)，如何從復(fù)雜的環(huán)境信息提煉獲取期望的感知目標(biāo)信息需要進(jìn)一步研究。

（2）協(xié)同感知

與獨(dú)立感知模式不同，協(xié)同感知需要多個(gè)感知主體之間的信息交互以完成感知功能。根據(jù)協(xié)同感知主體工作方式的不同，可進(jìn)一步分為不需要終端參與的協(xié)同感知和基于終端參與的協(xié)同感知。在不需要終端參與的協(xié)同感知模式中，一部分感知主體（如圖1（b）中的節(jié)點(diǎn)A）發(fā)送通信感知一體化信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)感知目標(biāo)的反射，由另一部分感知主體（如圖1（b）中的節(jié)點(diǎn)B）接收該信號(hào)。而在基于終端參與的協(xié)同感知模式中，終端（如圖1（b）中的目標(biāo)1）通過(guò)主動(dòng)發(fā)送通信感知一體化信號(hào)來(lái)協(xié)同感知主體（如圖1（b）中的節(jié)點(diǎn)C）完成周圍環(huán)境信息的感知，此時(shí)感知主體可根據(jù)業(yè)務(wù)和場(chǎng)景需求決定是否需要反饋信息。

圖1 通信感知一體化工作模式

該工作模式理論上可以擴(kuò)大探測(cè)范圍，且相比于獨(dú)立感知工作模式，可以降低對(duì)感知主體自干擾刪除能力的要求。但它的挑戰(zhàn)在于如何保證上下行同步以及組網(wǎng)后的上下行干擾，特別是基于現(xiàn)有時(shí)分雙工（TDD,Time Division Duplexing）通信系統(tǒng)，組網(wǎng)干擾是一個(gè)需要重點(diǎn)研究的技術(shù)方向。

1.2 應(yīng)用場(chǎng)景

面向6G 的通信感知一體化將是一種全域的協(xié)同感知?；谝苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建廣域高精度感知能力，可為現(xiàn)有生活、生產(chǎn)、社會(huì)發(fā)展深度賦能，進(jìn)而促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，具有巨大的社會(huì)價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。圖2 給出了典型的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖2 通信感知一體化應(yīng)用場(chǎng)景

（1）智享生活

依托未來(lái)6G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，具有感知能力、認(rèn)知能力、甚至?xí)伎嫉闹悄荏w可基于已有的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為人們提供更為精細(xì)的手勢(shì)/ 動(dòng)作識(shí)別、生命體征全方位監(jiān)測(cè)、目標(biāo)定位與跟蹤以及環(huán)境重構(gòu)等服務(wù)[4]。例如，利用高精度目標(biāo)定位和手勢(shì)/ 動(dòng)作識(shí)別，用戶可在增強(qiáng)/ 虛擬現(xiàn)實(shí)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景中獲得身臨其境的多感官體驗(yàn)；通過(guò)感知人的行為和定位，可實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的智能控制，如智能感應(yīng)燈、智能電器等；當(dāng)感知到有入侵者時(shí)，可及時(shí)觸發(fā)警報(bào)信息；利用無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)，用戶可在不需要設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)呼吸、心率等體征的健康監(jiān)測(cè)等。

（2）智賦生產(chǎn)

未來(lái)垂直行業(yè)將存在大量的無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器等智能設(shè)備，人與物、物與物將實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的全聯(lián)接。為確保智能設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要精確的感知定位信息進(jìn)行決策，實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)營(yíng)與管理。在智慧制造場(chǎng)景中，海量智能終端設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控、安全維護(hù)以及設(shè)備間的信息交互尤為重要，6G 網(wǎng)絡(luò)可提供高效率的環(huán)境感知方法對(duì)其進(jìn)行定位和環(huán)境信息的獲取，確保生產(chǎn)調(diào)度的有序進(jìn)行。在智慧交通應(yīng)用場(chǎng)景下，6G 網(wǎng)絡(luò)可利用通信感知一體化信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)車輛的檢測(cè)、定位、識(shí)別、成像等感知功能[5]，快速及時(shí)地獲取周邊道路環(huán)境信息，并利用先進(jìn)的處理算法和AI 能力來(lái)生成超高分辨率的圖像，為未來(lái)人們的安全出行提供嶄新的服務(wù)與體驗(yàn)。

（3）社會(huì)治理

氣候環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全管理是社會(huì)治理重要的一方面。在氣候環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，借助現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的部署及覆蓋能力，基站可通過(guò)發(fā)送通信感知一體化信號(hào)，結(jié)合水分子、灰塵及各類化學(xué)物質(zhì)對(duì)無(wú)線信號(hào)衰落的特性進(jìn)行分析，獲得一體化信號(hào)強(qiáng)度等變化特性，從而構(gòu)建覆蓋區(qū)域的“指紋地圖”，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)降水量、大氣濕度、污染氣體排放監(jiān)測(cè)以及空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等[6]。在公共安全管理方面，通過(guò)感知功能的實(shí)時(shí)探測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)諸如臺(tái)風(fēng)預(yù)警、洪水預(yù)警和沙塵暴預(yù)警等功能，提前為災(zāi)害防范預(yù)留時(shí)間。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

通信感知一體化系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)將經(jīng)歷賦能階段、平衡階段和互惠階段。在賦能階段，系統(tǒng)架構(gòu)研究以通信系統(tǒng)如何具備感知能力或雷達(dá)系統(tǒng)如何具備通信能力為主要目標(biāo)，通信感知一體化系統(tǒng)初步具備通信和感知能力；在平衡階段，系統(tǒng)架構(gòu)研究以如何平衡通信與感知性能為主要目標(biāo)，保證兩者性能可以分別達(dá)到一定的需求，獲得良好的折中；在互惠階段，通信與感知將實(shí)現(xiàn)頻譜資源、硬件設(shè)備、波形設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、協(xié)議接口、組網(wǎng)協(xié)作等全方位、多層次的深度融合，通信功能與感知功能實(shí)現(xiàn)共惠雙贏?；セ蓦A段通信感知一體化系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 互惠階段通信感知一體化系統(tǒng)架構(gòu)

通信感知一體化系統(tǒng)架構(gòu)分為三層：物理基礎(chǔ)設(shè)施層、邏輯功能層和應(yīng)用層，這三層將受到網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排和管理。在物理基礎(chǔ)設(shè)施層，通信感知一體化通過(guò)同一設(shè)備以及同一頻譜實(shí)現(xiàn)通信功能與感知功能的深度融合，感知服務(wù)器作為新的結(jié)構(gòu)單元，將承擔(dān)感知數(shù)據(jù)的處理以及聯(lián)合信號(hào)處理的功能，可在基站側(cè)或網(wǎng)絡(luò)側(cè)分布。Sub-6G、毫米波、可見(jiàn)光、太赫茲等多頻段按需協(xié)同感知，以滿足不同業(yè)務(wù)的感知和通信需求，此時(shí)多維感知信息將在多個(gè)分布式感知服務(wù)器間高效智能交互，賦予6G 網(wǎng)絡(luò)更強(qiáng)大的感知能力。邏輯功能層面提供業(yè)務(wù)所需能力，感知能力作為6G 網(wǎng)絡(luò)的重要能力，可與通信能力、計(jì)算能力、AI 能力、安全能力、數(shù)據(jù)能力之間形成多維能力協(xié)同，更好地支持全新應(yīng)用場(chǎng)景需求，為6G 網(wǎng)絡(luò)深度賦能。應(yīng)用層基于邏輯功能層提供豐富的業(yè)務(wù)服務(wù)，與傳統(tǒng)僅提供低時(shí)延高可靠、大帶寬傳輸?shù)韧ㄐ艠I(yè)務(wù)不同，面向6G 的通信感知一體化應(yīng)用層還將提供位置服務(wù)、成像服務(wù)等感知服務(wù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 空口融合技術(shù)

（1）波形設(shè)計(jì)

在過(guò)去的無(wú)線通信領(lǐng)域研究中，通信領(lǐng)域和雷達(dá)領(lǐng)域由于需求背景不同，所采取的波形技術(shù)也存在較大差異。在考慮通信和雷達(dá)的性能指標(biāo)時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生波形設(shè)計(jì)上的矛盾。在通信系統(tǒng)中，波形具有隨機(jī)、不確定的特性，確保能對(duì)抗各種信道衰落以及多用戶干擾，從而正確地解調(diào)解碼出通信信息。而在雷達(dá)系統(tǒng)中，探測(cè)波形所發(fā)送的信號(hào)大多是規(guī)則的已知信號(hào)，要求具有優(yōu)良的自相關(guān)特性、大信號(hào)帶寬、高動(dòng)態(tài)范圍，可容忍大的多普勒頻偏，以估計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度。面向6G 的通信感知一體化波形設(shè)計(jì)主要有以下兩條思路：

一是基于現(xiàn)有波形的一體化波形研究。該設(shè)計(jì)思路是基于現(xiàn)有通信和感知波形，通過(guò)分析現(xiàn)有波形在通信和感知的能力，形成單一波形或者復(fù)合波形，主要包括以下兩類：

1）以通信性能為主的波形設(shè)計(jì)：該方案利用通信信息進(jìn)行探測(cè)。正交頻分復(fù)用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）作為4G/5G 的通信波形，具有抗衰落能力強(qiáng)、頻譜利用率高、抗碼間干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可保證良好的通信速率傳輸。同時(shí)，作為感知波形，OFDM 的模糊函數(shù)也比較理想，可實(shí)現(xiàn)測(cè)距、測(cè)速、測(cè)角等基本感知能力。文獻(xiàn)[7]至[10]研究了在使用OFDM 信號(hào)作為探測(cè)信號(hào)的參數(shù)估計(jì)方法，文獻(xiàn)[11]和[12] 針對(duì)OFDM 波形設(shè)計(jì)、子載波和功率分配等問(wèn)題進(jìn)行了研究。然而，OFDM 波形存在峰均比高的缺點(diǎn)，在需要高功率發(fā)射的雷達(dá)應(yīng)用中功率效率較低。因此，基于傳統(tǒng)通信波形可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)，但在實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用中，需進(jìn)一步探索同時(shí)保證通信性能和雷達(dá)性能條件下降低峰均功率比的有效辦法。

2）以感知性能為主的波形設(shè)計(jì)：該方案的核心思路是雷達(dá)波形中嵌入通信信息。線性調(diào)頻波形（LFM,Linear Frequency Modulation）是雷達(dá)中常用的脈沖壓縮波形。文獻(xiàn)[13] 和[14] 將最小頻移鍵控（MSK,Minimum Shift Keying）信號(hào)嵌入線性調(diào)頻信號(hào)中，獲得探測(cè)性能與LFM 信號(hào)相似的探測(cè)信號(hào)，但是LFM-MSK一體化信號(hào)的頻譜利用率低，無(wú)法滿足高速通信的要求。文獻(xiàn)[15] 將連續(xù)相位調(diào)制（CPM,Continuous Phase Modulation）信號(hào)嵌入LFM 信號(hào)中，提高了一體化信號(hào)的傳輸速率，但是在LFM 信號(hào)上嵌入信息會(huì)導(dǎo)致頻譜擴(kuò)展和能量泄露，雷達(dá)的探測(cè)性能出現(xiàn)一定損失。

二是新型通信感知一體化波形設(shè)計(jì)研究。聯(lián)合兩類波形設(shè)計(jì)目標(biāo)需求，基于相應(yīng)的基礎(chǔ)理論提出一體化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，形成全新的符合聯(lián)合目標(biāo)的波形。文獻(xiàn)[16] 基于特定的通信方向和感知方向波形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可在特定方向保證良好的通信和感知性能，但由于沒(méi)有考慮對(duì)其他方向波形的優(yōu)化，可能導(dǎo)致目標(biāo)方向之外有較高的旁瓣。為解決該問(wèn)題，文獻(xiàn)[17] 通過(guò)對(duì)所有方向的雷達(dá)波束方向圖進(jìn)行約束，抑制了旁瓣的不利影響。總之，新型通信感知一體化波形設(shè)計(jì)可以通過(guò)聯(lián)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和通信性能的折中，但其波形設(shè)計(jì)優(yōu)化復(fù)雜度高、與現(xiàn)有硬件適配難度大，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍存在較大挑戰(zhàn)。

（2）幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)通信感知一體化功能實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。目前NR 幀結(jié)構(gòu)配置方式以信息傳輸需求為核心，通過(guò)高層信令與物理層信令完成以符號(hào)為單位的幀結(jié)構(gòu)配置。其中，符號(hào)類型包括上行傳輸、下行傳輸和靈活傳輸三種。但隨著感知通信一體化技術(shù)發(fā)展與新興業(yè)務(wù)的豐富，感知能力將成為移動(dòng)通信系統(tǒng)的內(nèi)生能力，為使通信與感知成為未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)的基本功能，推動(dòng)智能化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，其設(shè)計(jì)需要綜合考慮通信性能與感知性能的需求。

結(jié)合一體化系統(tǒng)工作頻段、業(yè)務(wù)場(chǎng)景、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性、感知精度、及時(shí)性、干擾及設(shè)備能力等特點(diǎn)，對(duì)一體化幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行差異性設(shè)計(jì)，讓感知能力作為內(nèi)生能力與通信能力深度融合。例如，對(duì)于出行導(dǎo)航等日常業(yè)務(wù)場(chǎng)景，其算法復(fù)雜度及定位精度要求相對(duì)較低，且現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍足以滿足該類業(yè)務(wù)的需求，則可復(fù)用現(xiàn)有通信信號(hào)完成感知任務(wù)，無(wú)需改變現(xiàn)有幀結(jié)構(gòu)配置方式。而對(duì)于低空探測(cè)、智能醫(yī)療、數(shù)字孿生等高精度類及新需求業(yè)務(wù)場(chǎng)景，僅依賴于現(xiàn)有幀結(jié)構(gòu)中靈活符號(hào)的配置無(wú)法滿足業(yè)務(wù)需求，需要在幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初就考慮引入可靈活配置的新符號(hào)。進(jìn)一步地，需結(jié)合業(yè)務(wù)需求與性能要求，進(jìn)一步探究收發(fā)功率、波形或上下行切換等對(duì)保護(hù)間隔設(shè)計(jì)的差異性要求。在盡可能兼容現(xiàn)有協(xié)議規(guī)定的前提下，依據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)與業(yè)務(wù)量需求的限制，通過(guò)信令靈活配置符號(hào)類型，同時(shí)滿足感知輔助通信與通信輔助感知業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求，并實(shí)現(xiàn)感知服務(wù)于通信或通信增強(qiáng)感知的深度融合，保障未來(lái)網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)對(duì)通信功能與感知功能的基本需求。

（3）波束管理

通信感知一體化系統(tǒng)可以通過(guò)發(fā)射全向波束實(shí)現(xiàn)通信與感知。在該模式下，系統(tǒng)單個(gè)波束的覆蓋角度大，鏈路預(yù)算更為全面且有利于系統(tǒng)在更多角度上探測(cè)感知目標(biāo)的存在。但由于全向波發(fā)射能量分散，在該方式下發(fā)射波束覆蓋距離小，因此不適用于遠(yuǎn)距離通信與感知。此外，在獨(dú)立感知模式中，全向波束所發(fā)射的感知信號(hào)在照射到物體后被反射，形成回波被感知接收機(jī)所接收，在諸如密集城區(qū)等復(fù)雜環(huán)境中，接收機(jī)所接收到的回波信號(hào)內(nèi)雜波干擾較多，降低了系統(tǒng)的感知精度。

基于不斷演進(jìn)的超大規(guī)模天線技術(shù)，通信感知一體化系統(tǒng)可以利用定向波束實(shí)現(xiàn)通信與感知。通過(guò)波束賦形，通信感知一體化系統(tǒng)可以使發(fā)射信號(hào)形成波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)定向傳輸，從而獲得額外的陣列增益，達(dá)到提高覆蓋距離的效果。在感知方面，相比于全向波束，定向波束方式下良好的波束方向性使回波信號(hào)內(nèi)雜波干擾較少，有利于實(shí)現(xiàn)高精度感知。

在定向波束傳輸模式下，通信感知一體化系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)基于空分的波束管理策略[18]。通過(guò)同時(shí)發(fā)射多個(gè)波束，將通信波束與感知波束從空間域進(jìn)行隔離。該方式的優(yōu)點(diǎn)是通信與感知系統(tǒng)可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)，但是也存在如下缺點(diǎn)：

1）多個(gè)波束的同時(shí)發(fā)射使能量分散，系統(tǒng)的覆蓋距離有所減弱；

2）由于定向波束的指向性，鏈路預(yù)算或感知功能在某些方向上會(huì)有損失；

3）當(dāng)接收機(jī)同時(shí)接收到來(lái)自多個(gè)感知波束的回波信號(hào)時(shí)，如何區(qū)分這些回波信號(hào)也是較為困難的，因此在該模式下設(shè)計(jì)自適應(yīng)的波束選擇策略，合理地調(diào)整通信波束與感知波束的傳輸方式以得到系統(tǒng)覆蓋距離及系統(tǒng)性能的最優(yōu)折中是十分必要的。

（4）感知算法

感知任務(wù)包括估計(jì)探測(cè)目標(biāo)的位置信息、速度信息以及面向應(yīng)用的模式識(shí)別，如對(duì)象和行為識(shí)別、分類，感知算法是實(shí)現(xiàn)上述感知任務(wù)的關(guān)鍵。目前，感知參數(shù)估計(jì)方法包括周期圖法、基于子空間的譜分析法、壓縮感知、張量分解法等，不同感知算法的特點(diǎn)具體如下：

1）周期圖法：2D-DFT 是一種廣泛應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)的感知算法[19]，其核心在于通過(guò)將時(shí)域、相移或空間域樣本中的兩種分別轉(zhuǎn)換為頻域、多普勒域或角度域，以實(shí)現(xiàn)對(duì)感知參數(shù)的估計(jì)。該類方法的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單且易于硬件實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)在于參數(shù)分辨率較低且需要連續(xù)測(cè)量時(shí)域或頻域信號(hào)。由于該方法對(duì)于移動(dòng)目標(biāo)的感知性能估計(jì)有限，因此更適用于其他高精度感知方法初始值的計(jì)算。

2）基于子空間的譜分析法：對(duì)于多天線系統(tǒng)，多重信號(hào)分類（MUSIC,Multiple Signal Classification）和旋轉(zhuǎn)不變子空間（ESPRIT,Estimating Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques）[20]可用于對(duì)感知目標(biāo)的連續(xù)值參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。該類方法通過(guò)對(duì)接收信號(hào)相關(guān)矩陣的特征值分解，構(gòu)造空間譜函數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的感知參數(shù)的估計(jì)。其優(yōu)點(diǎn)在于具有較高的感知分辨率，缺點(diǎn)在于僅可分辨不相關(guān)的目標(biāo)且計(jì)算復(fù)雜度較高。為了實(shí)現(xiàn)高精度感知，該類算法通常需要接收機(jī)配置大規(guī)模天線且采集大量數(shù)據(jù)樣本。由此可見(jiàn)，如何降低該類方法的計(jì)算復(fù)雜度是值得研究的。

3）壓縮感知：通過(guò)將感知參數(shù)的估計(jì)問(wèn)題描述為稀疏信號(hào)恢復(fù)問(wèn)題，壓縮感知技術(shù)[21]被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)。相比于MUSIC 或ESPRIT 方法，壓縮感知無(wú)需連續(xù)抽樣，且僅通過(guò)極少量的樣本即可實(shí)現(xiàn)感知參數(shù)估計(jì)。目前壓縮感知算法成熟度較高，有大量算法支持系統(tǒng)對(duì)計(jì)算復(fù)雜度及感知精度的需求。但由于存在量化誤差，壓縮感知在估計(jì)連續(xù)值參數(shù)時(shí)估計(jì)精度較差。隨著待估參數(shù)的增多，估計(jì)精度將會(huì)急劇惡化。

4）張量分解法：由于感知信號(hào)在時(shí)延域、多普勒域、角度域相互獨(dú)立，對(duì)這三類感知參數(shù)進(jìn)行估計(jì)時(shí)可以使用三維張量分解方法。張量分解法通常與子空間譜分析、壓縮感知等其他參數(shù)估計(jì)方法結(jié)合使用，以達(dá)到降低計(jì)算復(fù)雜度的效果。

3.2 網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)

（1）多頻段協(xié)同

6G 將是一個(gè)低、中、高多頻段協(xié)同的全頻譜通信系統(tǒng)，覆蓋仍將以10 GHz 以下的頻率為主。Sub-6G 頻段是目前商用通信網(wǎng)絡(luò)的主力頻段，具有頻率低、繞射能力強(qiáng)、傳輸損耗小、覆蓋范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)具有頻譜資源稀缺、傳輸速率低、感知精度低等問(wèn)題。毫米波[22]優(yōu)勢(shì)在于豐富的帶寬、更高的數(shù)據(jù)傳輸速率及感知分辨率（速度、距離、角度等），適用于自動(dòng)駕駛等移動(dòng)性場(chǎng)景。太赫茲頻段（0.1～10 THz）[23]意味著更高的傳輸速率與更大的帶寬，其已經(jīng)為通信帶來(lái)了超高數(shù)據(jù)速率、極低傳輸時(shí)延等，可重點(diǎn)應(yīng)用于智慧醫(yī)療等具有高精度、高速率、低時(shí)延需求的應(yīng)用場(chǎng)景，但其短波長(zhǎng)的特性又導(dǎo)致其信號(hào)衰減嚴(yán)重問(wèn)題。可見(jiàn)光頻段（380～790 THz）[24]具有頻譜資源極其豐富、無(wú)輻射、安全性高的特點(diǎn)，且理論上可以獲得更高的通信速率與更精準(zhǔn)的感知，但其無(wú)法穿透物體、信號(hào)易被阻斷，可用于室內(nèi)微環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

針對(duì)面向6G 的全域協(xié)同感知對(duì)覆蓋范圍、時(shí)延、移動(dòng)性、感知精度、通信速率等的需求，通感網(wǎng)絡(luò)將綜合考慮上述各頻段的衰落特性、通信能力、感知能力、可用帶寬等方面，構(gòu)建多頻段融合網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)多頻段協(xié)同感知達(dá)到宏觀廣覆蓋探測(cè)與微觀重點(diǎn)感知相互補(bǔ)充及增強(qiáng)的目的。值得注意的是，在享受優(yōu)缺互補(bǔ)帶來(lái)的增益時(shí)，需要考慮組網(wǎng)、資源調(diào)度及干擾等問(wèn)題帶來(lái)的應(yīng)用局限性與復(fù)雜度。

（2）組網(wǎng)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)

無(wú)論是獨(dú)立感知還是協(xié)同感知，都需要考慮上下行干擾問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)的影響。干擾協(xié)調(diào)的核心思想是按照實(shí)現(xiàn)確定的規(guī)則協(xié)調(diào)資源分配、調(diào)度、發(fā)射功率及波形等，其要求事先確定協(xié)調(diào)的規(guī)則與方法，以達(dá)到降低小區(qū)內(nèi)上下行干擾、收發(fā)干擾及小區(qū)間同頻干擾等的目的。在協(xié)同感知場(chǎng)景中，可從時(shí)域、頻域、空域、碼域及功率域等維度入手，通過(guò)協(xié)調(diào)資源使通信與通信、通信與感知、感知與感知等行為間盡可能保持正交性。另外，干擾協(xié)調(diào)可依據(jù)業(yè)務(wù)需求采取靜態(tài)、半靜態(tài)與動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)三類。進(jìn)一步地，需要注意的是區(qū)分協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)干擾存在與處理的差異性。特別是對(duì)于感知網(wǎng)絡(luò)，除了考慮小區(qū)間干擾之外，還需要充分考慮感知與通信間干擾以及不同感知任務(wù)間干擾。

在通信感知一體化應(yīng)用中，上述干擾信息間可能存在有特定目標(biāo)相關(guān)的有效信息，需進(jìn)一步聯(lián)合處理干擾信息以助于全面獲取感知目標(biāo)信息。

3.3 硬件架構(gòu)與設(shè)計(jì)

在發(fā)射機(jī)鏈路設(shè)計(jì)中，通信感知功能通過(guò)空口聯(lián)合設(shè)計(jì)和時(shí)頻空資源復(fù)用，可實(shí)現(xiàn)硬件電路的一體化設(shè)計(jì)。然而，接收機(jī)的復(fù)用卻存在很大的挑戰(zhàn)。一方面，感知系統(tǒng)不僅要求接收機(jī)幾乎與發(fā)射機(jī)同時(shí)工作，而且要求連續(xù)工作以不斷檢測(cè)回波信號(hào)；另一方面，時(shí)分雙工的通信系統(tǒng)要求接收機(jī)與發(fā)射機(jī)分時(shí)工作。兩者之間的矛盾導(dǎo)致硬件實(shí)現(xiàn)困難，最理想的解決方案是采用全雙工通信的射頻前端，并以基帶自干擾消除技術(shù)為輔助，通信感知完全復(fù)用收發(fā)鏈路，如圖4 所示。

圖4 收發(fā)鏈路完全復(fù)用的通信感知一體化系統(tǒng)框圖

全雙工射頻前端根據(jù)是否共用天線陣列來(lái)開(kāi)展全雙工器的設(shè)計(jì)或者天線之間隔離度的設(shè)計(jì)，目前全雙工器仍處于研究階段，收發(fā)天線分離之后的隔離度要求會(huì)導(dǎo)致設(shè)備體積增大，并引入收發(fā)信道互易性問(wèn)題；同時(shí)，在大帶寬通信應(yīng)用下的自干擾刪除技術(shù)對(duì)基帶處理硬件資源消耗將是另一個(gè)難以逾越的障礙。

基于目前產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)條件下，硬件系統(tǒng)可采用折中的方案，如圖5 所示，可在目前通信系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，額外增加接收鏈路做獨(dú)立的感知接收，避免自干擾的不利影響，加快推進(jìn)通信感知系統(tǒng)功能的驗(yàn)證，并減少技術(shù)向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的時(shí)間窗口。

圖5 接收鏈路分立的通信感知一體化系統(tǒng)框圖

4 應(yīng)用挑戰(zhàn)

通信感知一體化的應(yīng)用不僅依賴于系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用還需綜合考慮成本、部署限制、功耗及隱私等問(wèn)題。下面對(duì)通信感知一體化在實(shí)際應(yīng)用中可能面臨的挑戰(zhàn)描述如下：

（1）成本方面：在蜂窩系統(tǒng)中，站址資源非常寶貴，如果能復(fù)用已有站址和基站設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)感知業(yè)務(wù)，將顯著降低通信感知一體化實(shí)現(xiàn)成本。然而，不同的感知業(yè)務(wù)需求也不同，在已有的站址部署相關(guān)產(chǎn)品可能無(wú)法滿足部分業(yè)務(wù)需求，如低空小型無(wú)人機(jī)，由于其反射截面積約為0.01 m2，回波損耗較高且容易受到雜波影響，導(dǎo)致其探測(cè)存在較大的挑戰(zhàn)。此時(shí)額外增加站址有望提高探測(cè)能力，但勢(shì)必帶來(lái)成本的增加。

（2）部署限制方面：實(shí)際部署時(shí)基站產(chǎn)品規(guī)格受到站點(diǎn)關(guān)于迎風(fēng)面、體積、重量等限制，因此通信感知一體化商用產(chǎn)品需要考慮集成度提升。如3.3 節(jié)分析，可支持全雙工的產(chǎn)品固然在集成度上占有較大優(yōu)勢(shì)，但其依賴于全雙工技術(shù)的成熟，即自干擾刪除能力的進(jìn)一步提升。盡管采用收發(fā)天線分離（通信和感知共用接收機(jī)）或者額外增加感知接收鏈路可以降低自干擾刪除要求，但設(shè)備體積增大同樣可能無(wú)法滿足站點(diǎn)關(guān)于體積、重量的部署限制。

（3）功耗方面：5G 毫米波產(chǎn)品全向輻射功率可達(dá)到65 dBm（3 162 W），相比低頻產(chǎn)品已增長(zhǎng)了約十倍。在此基礎(chǔ)上，通信感知一體化產(chǎn)品還需滿足感知業(yè)務(wù)的需求，功耗勢(shì)必進(jìn)一步提升。傳統(tǒng)通信業(yè)務(wù)通常需要全向或定向波束以獲得良好的覆蓋，而感知業(yè)務(wù)通常需要高增益和窄波束以補(bǔ)償回波損耗，從而實(shí)現(xiàn)高精度感知。因此，通信業(yè)務(wù)與感知業(yè)務(wù)可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)發(fā)射功率、接收機(jī)線性度、動(dòng)態(tài)范圍等方面提出不同的需求，如何在功耗約束下實(shí)現(xiàn)兩者的權(quán)衡還需仔細(xì)考量。

（4）隱私方面：一是感知信息獲取可能會(huì)涉及被探測(cè)目標(biāo)的隱私問(wèn)題，當(dāng)系統(tǒng)并不依賴于終端上報(bào)時(shí)，終端的一些信息可在不被授權(quán)條件下獲取，可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)；二是感知信息獲取存在隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)，雖然感知信息獲取不依賴終端上報(bào)，有效避免了網(wǎng)絡(luò)與終端之間通信帶來(lái)的隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)，但是感知信息發(fā)送和接收過(guò)程中仍然涉及終端反射的信息，存在反射信息被第三方惡意竊聽(tīng)或干擾的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

面向2030，6G 通過(guò)通信與感知、計(jì)算、AI、大數(shù)據(jù)和安全等的一體融合，支持實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生”、“智慧泛在”的發(fā)展愿景。通信感知一體化作為6G 潛在關(guān)鍵技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)通信和感知在資源、數(shù)據(jù)、能力等方面的高度融合，從而滿足6G 新業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。本文從通感融合的必要性出發(fā)，分析其應(yīng)用場(chǎng)景，重點(diǎn)探討了通信感知一體化的系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，并給出了空口融合、網(wǎng)絡(luò)融合和硬件架構(gòu)與設(shè)計(jì)方面的技術(shù)研究建議。通信感知一體化是一個(gè)全新的領(lǐng)域，機(jī)遇與挑戰(zhàn)同在，后續(xù)還需要對(duì)一體化性能指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信令設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行更深入的研究。