夏方昊/XIA Fanghao，王新奕/WANG Xinyi，鄭重/ZHENG Zhong

（北京理工大學(xué)通信技術(shù)研究所，中國北京 100081）

隨著5G時代的到來，無線通信設(shè)備數(shù)量呈爆炸式增長，通信產(chǎn)業(yè)對無線頻譜的需求日益迫切。為了解決頻譜資源稀缺的問題,我們需要探索未來通信系統(tǒng)與其他電子設(shè)備在同一頻段下共存的可行性，因此通信感知一體化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]。一方面，無線通信頻段向毫米波、太赫茲及可見光等更高頻段發(fā)展，將與傳統(tǒng)感知頻段產(chǎn)生越來越多的重疊;另一方面,無線通信與無線感知在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號處理與數(shù)據(jù)處理等方面呈現(xiàn)出越來越多的相似性。因此，利用同一套設(shè)備或共享部分設(shè)備器件實(shí)現(xiàn)通信與感知，可以降低設(shè)備成本，減少體積與功耗，是未來發(fā)展的必然趨勢[2]。

多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)利用其空間自由度進(jìn)行發(fā)射波束賦形設(shè)計(jì)，可顯著提高通信與感知性能，但在信號傳播環(huán)境較差時仍存在較為嚴(yán)重的性能惡化。此時，使用智能超表面（RIS）技術(shù)可以提升系統(tǒng)性能。

RIS 是由大量可重構(gòu)反射元件組成的二維超表面[3]，這些反射元件可以獨(dú)立調(diào)節(jié)入射信號的相移、幅值、頻率與極化方式，建立有利的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的視距鏈路，從而有效擴(kuò)大感知覆蓋范圍，提高通信傳輸質(zhì)量，增強(qiáng)通信安全性等。此外，RIS可以提供額外的空間自由度來解決信道衰落問題。因此，RIS被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)智能無線電環(huán)境的關(guān)鍵使能技術(shù)，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。

1 通信感知一體化技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

在未來的6G 系統(tǒng)中，使用更高頻帶、更大帶寬與密集分布的大規(guī)模天線陣列是必然發(fā)展趨勢[4]。集成通信與感知功能，不僅可以降低硬件成本，節(jié)約頻譜資源，還可有效避免通信系統(tǒng)與感知系統(tǒng)分離所帶來的工作效率低、頻帶利用率低、能量分割性能下降等問題[5]。一方面，通信感知一體化系統(tǒng)可以利用通信信號的傳輸、反射及散射，協(xié)作感知目標(biāo)環(huán)境，并憑借其通信能力匯聚感知信息，拓展感知的維度與深度；另一方面，系統(tǒng)可利用感知功能獲得的高精度定位、成像與環(huán)境重建能力，實(shí)現(xiàn)更精確的波束賦形、更快的波束失效恢復(fù)與更低的導(dǎo)頻開銷，進(jìn)一步提升通信性能。

1.1 通信感知一體化發(fā)展歷程及目標(biāo)

根據(jù)通信模塊與感知模塊間聯(lián)系的緊密程度與協(xié)作關(guān)系，通信感知一體化技術(shù)發(fā)展主要可以分為“業(yè)務(wù)共存、能力互助、網(wǎng)絡(luò)共惠”3個階段[6]。

（1）業(yè)務(wù)共存

業(yè)務(wù)共存是通信感知一體化技術(shù)發(fā)展的起始階段。在此階段，通信系統(tǒng)與感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件上的共用，并可通過時分或頻分的方式來提升硬件利用率，減小系統(tǒng)體積，降低成本。但業(yè)務(wù)共存階段的通信感知一體化系統(tǒng)，其通信波形與感知波形不同，通信與感知信號接收算法不統(tǒng)一，通信模塊與感知模塊之間仍存在相互干擾，并且由時分或頻分導(dǎo)致的無線資源利用率低的問題也無法得到解決。因此，此階段的研究重點(diǎn)是抑制通信與感知的互干擾，提升頻譜效率。此階段的研究主要以提升某一項(xiàng)功能為目標(biāo)，同時盡可能保留另一項(xiàng)功能。在更極端的情況下，當(dāng)通信能力與感知能力在資源分配與干擾等問題上沖突時，可以保留所需的功能，完全拋棄另一項(xiàng)功能。即使不考慮通信與感知之間的相互輔助，也要避免因一體化而帶來的負(fù)面影響。

（2）能力互助

相較于業(yè)務(wù)共存階段，在能力互助階段，系統(tǒng)對通信與感知能力的協(xié)同提升提出了更高的要求。在此階段中，通信系統(tǒng)與感知系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)硬件上的共用，在波形設(shè)計(jì)、信號接收與處理等方面也實(shí)現(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)。這加深通信與感知的相互融合，進(jìn)一步提升通信與感知的信息共享、頻譜復(fù)用能力。因此，此階段的研究重點(diǎn)是一體化波形設(shè)計(jì)與波束賦形方案確定。此階段的研究目標(biāo)是在感知系統(tǒng)或通信系統(tǒng)保持最低要求的前提下，輔助提升另一項(xiàng)功能，達(dá)到超越通信感知共存系統(tǒng)的性能。

（3）網(wǎng)絡(luò)互惠

在未來6G 網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星、無人機(jī)、基站（BS）及終端（UE）等設(shè)備將構(gòu)成空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，形成多維度、全方位、多節(jié)點(diǎn)的感知與通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)互惠是通信感知一體化技術(shù)在此場景下的最終發(fā)展?fàn)顟B(tài)。在能力互助階段，在通信感知融合的基礎(chǔ)上，我們需要進(jìn)一步提升一體化波形的融合設(shè)計(jì)、系統(tǒng)干擾消除能力，并引入智能物聯(lián)網(wǎng)全方位感知與人工智能計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)感知與通信相互協(xié)同提升。此階段的研究重點(diǎn)是綜合協(xié)調(diào)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、資源管理與分配、邊緣計(jì)算融合等技術(shù)。此階段的研究目標(biāo)是在滿足通信與感知的基本能力要求下，提升整體能力。

1.2 通信感知一體化發(fā)展的挑戰(zhàn)

目前，通信感知一體化技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛而充分的重視，并且在部分場景下已經(jīng)展現(xiàn)了其高集成、低功耗、節(jié)約頻譜資源的技術(shù)潛力。與此同時，該技術(shù)在波形設(shè)計(jì)、資源調(diào)度、通信安全等方面面臨一系列挑戰(zhàn)。

（1）波形設(shè)計(jì)

對于通信感知一體化波形來說，傳統(tǒng)感知系統(tǒng)與通信系統(tǒng)對發(fā)射信號的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則存在根本矛盾。感知系統(tǒng)中的發(fā)射信號不攜帶信息，為確定信號；而通信系統(tǒng)中發(fā)射信號攜帶信息，受信源影響，為隨機(jī)信號。設(shè)計(jì)通信感知統(tǒng)一表征信號實(shí)際上是權(quán)衡感知性能與通信性能的過程。感知性能與通信性能的分析方法不同，性能指標(biāo)也各不相同，因此無法作為設(shè)計(jì)統(tǒng)一表征信號的依據(jù)。這就需要在時頻域與空域分別對發(fā)射信號進(jìn)行優(yōu)化，分析通信功能與感知功能對發(fā)射信號信息承載能力、發(fā)射信號波束方向等指標(biāo)的需求，從而進(jìn)行多性能指標(biāo)智能優(yōu)化。

（2）資源動態(tài)調(diào)度

在廣域物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的環(huán)境下，面對無線網(wǎng)絡(luò)低功耗的要求，基站需要針對多目標(biāo)通信與感知需求，合理進(jìn)行資源調(diào)度和分配。理論上，基于MIMO系統(tǒng)的空間分集能力，基站可針對性地設(shè)計(jì)波束。但在通信感知一體化系統(tǒng)中，為兼顧通信與感知的性能，通信波束設(shè)計(jì)的自由度會受到限制，并且在時變環(huán)境下，通信目標(biāo)與感知目標(biāo)的數(shù)量與比例、目標(biāo)的優(yōu)先級會進(jìn)行動態(tài)變化[7]。在面對復(fù)雜多變的場景時，采用單一的波束設(shè)計(jì)方式存在靈活性不足的問題，這會造成較大的能量和頻譜資源浪費(fèi)。為提高時變系統(tǒng)下基站與目標(biāo)的通信速率和基站對目標(biāo)的感知精度，我們需要對生成波束的數(shù)量、波束方向及總發(fā)射功率進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

（3）通信安全

隨著5G 技術(shù)的普及，一些新興應(yīng)用逐漸走入人們的生活，如遠(yuǎn)程醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)通信與機(jī)密信息傳輸?shù)龋虼舜_保通信安全與個人隱私至關(guān)重要。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層加密技術(shù)面臨著許多問題，通信感知一體化系統(tǒng)更是存在諸多安全挑戰(zhàn)。一體化信號需要對周圍目標(biāo)進(jìn)行感知，與此同時信號中也包含通信的數(shù)據(jù)。無線信道的廣播性與空域的開放性，使得信號容易被敵方設(shè)備竊聽。在這種暴露的風(fēng)險下，即使對通信數(shù)據(jù)本身加密，通信鏈路仍然可以被敵方目標(biāo)檢測，從而增加了網(wǎng)絡(luò)受到攻擊的風(fēng)險[8]。傳統(tǒng)的通信物理層安全解決方案往往通過波束和波形設(shè)計(jì)降低竊聽設(shè)備的接收信號功率，而對于通信感知一體化系統(tǒng)來說，此方法將嚴(yán)重降低系統(tǒng)對攻擊節(jié)點(diǎn)的感知能力。針對通信感知一體化系統(tǒng)，需要利用更多其他的通信安全技術(shù)來降低通信感知一體化系統(tǒng)的脆弱性，例如使用安全波束形成、人工噪聲設(shè)計(jì)以及合作安全設(shè)計(jì)等方法。

2 RIS增強(qiáng)通信感知一體化系統(tǒng)的典型應(yīng)用

在通信感知一體化系統(tǒng)中，感知功能的實(shí)現(xiàn)通常要求通信感知一體化發(fā)射機(jī)與被感知目標(biāo)之間存在視距路徑。在此情況下，RIS可以通過對無線環(huán)境的重構(gòu)，建立額外的視距鏈路。這為非視距路徑下的感知提供解決方案，從而提升感知區(qū)域的覆蓋范圍，提高感知精度。除此之外，RIS還可以提升通信性能，提高傳輸速率，保障通信的可靠性。因此，RIS對通信感知一體化系統(tǒng)的兩種功能均可以起到增強(qiáng)的作用。可以預(yù)見，通信感知一體化系統(tǒng)結(jié)合同樣具有廣泛應(yīng)用前景的RIS將成為6G時代中關(guān)鍵性的協(xié)作新范式。

（1）智慧交通

如圖1所示，未來的智慧交通系統(tǒng)，包括車聯(lián)網(wǎng)與自動駕駛，將借助于通信感知一體化系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)人、車、路的高效協(xié)同互聯(lián)。通信與感知在性能上相互促進(jìn)，因此路邊單元能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛位置與速度的準(zhǔn)確感知，車輛能夠在高精度地提取周圍環(huán)境信息的同時，與其他車輛、路邊單元、行人等進(jìn)行信息的快速交互[9]。該場景的典型用例有自動泊車、道路環(huán)境監(jiān)測控制、動態(tài)地圖生成等。由于車輛在行駛過程中容易受到其他車輛建筑物的遮擋，通信與感知的性能都會受到影響。因此，基于RIS增強(qiáng)的通信感知一體化系統(tǒng)可以解決非視距傳輸造成的通信與感知性能損失的問題，重構(gòu)無線信號傳播環(huán)境，保障通信的可靠性，提升通信速率，增強(qiáng)感知能力，減少覆蓋盲區(qū)，最終實(shí)現(xiàn)全面感知與泛在連接，滿足未來智慧交通系統(tǒng)的需求。

圖1 智能超表面增強(qiáng)ISAC的智慧交通場景

（2）智慧工廠

未來的智慧工廠呈現(xiàn)出無人化的趨勢，海量接入設(shè)備與機(jī)器人將協(xié)同完成復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。其中，每種機(jī)器人負(fù)責(zé)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的特定部分。只有系統(tǒng)滿足超高精度感知與極低時延通信的要求，才可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與機(jī)器人、機(jī)器人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的緊密合作。通信感知一體化系統(tǒng)可為智慧工廠提供幫助。具體來說，通信感知一體化技術(shù)可以輔助實(shí)現(xiàn)定位、成像以及環(huán)境地圖構(gòu)建等功能，也可以對信道狀態(tài)信息進(jìn)行感知，這樣可以降低信令開銷，保障在極低時延條件下的通信質(zhì)量。除此之外，可以將感知到的信息上傳至云端，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合感知，從而指導(dǎo)機(jī)器人或設(shè)備執(zhí)行正確的決策。RIS可被安裝在工廠的墻壁、大型設(shè)備的表面，從而實(shí)現(xiàn)對通信感知一體化系統(tǒng)的增強(qiáng)，滿足海量設(shè)備接入時對通信的高可靠性與低時延的要求。

（3）無人機(jī)應(yīng)用

無人機(jī)可被視為快捷靈活部署的空中節(jié)點(diǎn)，與通信感知業(yè)務(wù)結(jié)合緊密。通信感知一體化系統(tǒng)可部署在基站端或無人機(jī)平臺上，同時實(shí)現(xiàn)通信功能與感知功能，從而提高頻譜效率與能量效率。如圖2 所示，在無人機(jī)場景下，RIS 增強(qiáng)通信感知一體化系統(tǒng)的用例分為兩類：一類是將RIS安裝在無人機(jī)上，通過無人機(jī)的感知結(jié)果來調(diào)整RIS的相位，為熱點(diǎn)地區(qū)或覆蓋盲區(qū)的用戶提供從基站端到用戶端虛擬的視距通信鏈路，實(shí)現(xiàn)通信信號的廣域覆蓋[10]；另一類是將RIS安裝在合適的地面建筑上，通過基站端對無人機(jī)的感知來調(diào)節(jié)RIS的反射系數(shù)，從而提高與無人機(jī)的通信速率[11]。如果無人機(jī)為竊聽者，則可以通過調(diào)節(jié)RIS的反射系數(shù)來干擾竊聽者對有用信號的接收，防止竊聽，提升通信安全性能。

圖2 智能超表面增強(qiáng)通信感知一體化的無人機(jī)應(yīng)用場景

3 RIS增強(qiáng)通信感知一體化系統(tǒng)的研究

RIS在提高無線通信的頻譜與能量效率方面擁有巨大的潛力。RIS可以通過提供更好的感知覆蓋來提高感知精度與分辨率，提升通信感知一體化系統(tǒng)性能。RIS與通信感知一體化系統(tǒng)的結(jié)合也帶來了相應(yīng)的問題。例如，RIS輔助的通信感知一體化系統(tǒng)可能引入新的信號干擾。當(dāng)許多RIS分布式部署時，由于與RIS相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信息有著被動的性質(zhì)，因此僅有部分可用。在波束設(shè)計(jì)方面，需要同時考慮通信與感知兩方面的性能，因此也面臨難題。RIS 缺乏信號處理能力，即使以大量的導(dǎo)頻為代價，也難以精準(zhǔn)獲得與RIS相關(guān)的信道狀態(tài)信息。為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，學(xué)術(shù)界在如下幾個方面展開了研究。

3.1 聯(lián)合波束賦形設(shè)計(jì)與RIS反射系數(shù)優(yōu)化

MIMO系統(tǒng)的發(fā)射波束賦形設(shè)計(jì)可以提高通信與雷達(dá)感知性能。通過調(diào)整反射系數(shù)，RIS可以智能創(chuàng)建良好的傳播環(huán)境，從而進(jìn)一步提升性能?；静ㄊO(shè)計(jì)與RIS反射系數(shù)的優(yōu)化并不是獨(dú)立的：波束設(shè)計(jì)需要考慮RIS引入額外的空間自由度，同時RIS反射系數(shù)也需要以實(shí)際基站發(fā)射波束為依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。通過對一體化波形與RIS反射系數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)增益。

（1）提升通信速率

RIS輔助的通信感知一體化系統(tǒng)需要同時完成目標(biāo)感知任務(wù)和與用戶通信任務(wù)。考慮到通信與感知的性能權(quán)衡，我們通常以RIS輔助目標(biāo)檢測感知為基本要求，最大化基站與用戶之間的通信速率[12]。文獻(xiàn)[13]考慮了多天線基站同時向多用戶發(fā)送數(shù)據(jù)的情況，以最小雷達(dá)目標(biāo)信噪比與最大功率等條件為約束，并以最大化通信和速率為目標(biāo)，優(yōu)化發(fā)射波束與RIS反射系數(shù)。為了解決由此產(chǎn)生的非凸優(yōu)化問題，可以采用分式規(guī)劃（FP）、最大最小化（MM）等方法將其轉(zhuǎn)化為若干易于處理的子問題，并進(jìn)行迭代求解。

（2） 消除用戶間干擾

將通信感知一體化系統(tǒng)與RIS 技術(shù)相結(jié)合，可以發(fā)揮RIS在緩解多用戶干擾方面的潛力，提高通信性能，并更好地平衡感知性能與通信性能。文獻(xiàn)[14]首先在探測波束圖樣嚴(yán)格受限的情況下，通過聯(lián)合設(shè)計(jì)發(fā)射波形與RIS 相移矩陣，降低系統(tǒng)多用戶干擾。隨后，文獻(xiàn)[14]進(jìn)一步探索探測波束圖樣吻合度與多用戶干擾抑制之間的均衡設(shè)計(jì)。研究表明，引入RIS可以有效地降低通信感知一體化系統(tǒng)中存在的多用戶干擾，從而顯著提高系統(tǒng)吞吐量。此外，RIS還可以平衡雷達(dá)與通信性能，使得發(fā)射波形與理想發(fā)射波束圖更好地匹配。

3.2 RIS單元模式切換

在通信感知一體化系統(tǒng)中，通信功能與感知功能高度集成。在共用設(shè)備硬件、波束聯(lián)合設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通信功能與感知功能不再有明顯區(qū)分。通信感知一體化系統(tǒng)可以節(jié)省硬件成本以及頻譜資源。但當(dāng)通信需求與感知需求發(fā)生動態(tài)變化時，系統(tǒng)資源動態(tài)調(diào)度的靈活性相對不足。通過引入RIS，通信感知一體化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)通信波束與感知波束的分離，從而使系統(tǒng)更好地服務(wù)通信目標(biāo)與感知目標(biāo)。進(jìn)一步地，系統(tǒng)可以通過對RIS單元的模式進(jìn)行切換，來實(shí)現(xiàn)感知與通信性能的動態(tài)權(quán)衡。

文獻(xiàn)[15]考慮一體化系統(tǒng)存在兩種工作模式：探測模式與定位模式。如圖3所示，系統(tǒng)自適應(yīng)地根據(jù)RIS單元的通信模式與感知模式進(jìn)行切換。在探測模式下，為了檢測目標(biāo)是否存在，系統(tǒng)利用寬波束進(jìn)行掃描。在這種情況下，使有少量RIS單元用于感知，其余RIS單元用于與UE通信。在定位模式中，系統(tǒng)先使用寬波束進(jìn)行目標(biāo)的模糊感知，再使用大量RIS單元，利用窄波束精確定位目標(biāo)。通過RIS單元模式的靈活選擇，可以實(shí)現(xiàn)定位精度與通信頻譜效率間的性能權(quán)衡。

圖3 RIS輔助探測/定位

3.3 隱蔽通信方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密方法無法解決通信感知一體化系統(tǒng)中的所有安全問題。即使消息是加密的，由于空域開放性，通信數(shù)據(jù)與個人隱私信息仍有被泄露的風(fēng)險。面對這一問題，隱蔽通信可以實(shí)現(xiàn)通信雙方的隱藏信息傳輸，防止通信信號被惡意竊聽者發(fā)現(xiàn)（即信號隱蔽）。竊聽者無法確認(rèn)信號的存在，則難以實(shí)施進(jìn)一步的竊聽行為。通過將隱蔽通信引入通信感知一體化系統(tǒng)，文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)聯(lián)合感知與隱蔽通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高頻譜利用率與敏感數(shù)據(jù)安全傳輸。通過引入RIS對信號的傳播環(huán)境進(jìn)行智能重構(gòu)，通信感知一體化系統(tǒng)可以深度融合并進(jìn)一步增強(qiáng)隱蔽通信。具體而言，設(shè)計(jì)者可以基于博弈論設(shè)計(jì)目標(biāo)感知與隱蔽信號傳輸?shù)氖瞻l(fā)機(jī)優(yōu)化方案，對發(fā)射功率、RIS單元數(shù)目以及反射系數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)低成本、高效能隱蔽通信。

4 結(jié)束語

本文主要從基本概念、應(yīng)用場景、研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)等方面對RIS 輔助的通信感知一體化系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。RIS具有低成本、低復(fù)雜度及易部署的特點(diǎn)，通信感知一體化融合感知與通信能力，使通信與感知互相協(xié)作、相輔相成。面對B5G 乃至6G 所帶來的諸多挑戰(zhàn)，這兩項(xiàng)革新技術(shù)的結(jié)合給未來研究帶來了全新的方向。值得注意的是，在當(dāng)前階段，這兩項(xiàng)新技術(shù)仍然面臨著評估指標(biāo)不完善、算法不成熟以及安全性差等問題。如何將這兩項(xiàng)技術(shù)與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)與感知網(wǎng)絡(luò)兼容，提升其性能魯棒性、場景普適性，推進(jìn)相關(guān)技術(shù)盡快落地，是未來研究的重中之重。