通信感知一体化技术研究报告.pdf

2021 年 9 月 版权声明 Copyright Notification 未经书面许可 禁止打印、复制及通过任何媒体传播 2021 IMT-2030（ 6G） 推进组 版权所有 I 目 录 目 录 . I 图 目录 . II 表目录 . III 引言 . 1 第一章 通信感知一体化概述 . 1 1.1 6G 对通信感知一体化需求 . 1 1.2 通信感知一体化范畴 . 3 1.3 通感一体化对频谱需求 . 4 第二章 通信感知一体化研究现状与发展趋势 . 7 2.1 通信感知一体化国内外研究现状 . 7 2.2 通信感知一体化技术发展趋势 . 10 2.3 通信感知一体化技术路线 . 14 第三章 通信感知一体化应用场景 . 17 3.1 服务类场景与用例 . 17 3.2 应用类场景与用例 . 20 第四章 通信感知一体化基础理论研究 . 26 4.1 无线感知相关基础理论 . 26 4.2 通信感知一体化基础理论 . 32 第五章 通信感知一体化关键技术 . 37 5.1 通信感知一体化关键技术挑战 . 37 5.2 通信感知一体化空口关键技术 . 37 5.3 通信感知一体化架构与组网设计 . 41 5.4 通信感知一体化硬件架构与设计 . 46 第六章 总结 . 48 参考文献 . 49 贡献单位说明 . 54 II 图目录 图 1 通信感知一体化链接物理与数字世界 . 3 图 2 通信感知一体化范畴 . 4 图 3 通信感知一体化的技术发展趋势 . 10 图 4 通信感知一体化的业务共存阶段中性能指标体系示意图 . 12 图 5 通信感知一体化的能力互助阶段中性能指标体系示意图 . 13 图 6 通信感知一体化的网络共惠阶段中性能指标体系示意图 . 14 图 7 通信感知一体化应用场景与用例 . 17 图 8 基于毫米波 /太赫兹通信感知一体化系统 . 19 图 9 智能家居应用场景 . 21 图 10 气候环境监测应用场景 . 24 图 11 检测概率与目标回波信噪比及虚警概率的关系曲线 . 27 图 12 通信感知一体化示意图 . 33 图 13 通信感知一体化波束赋形设计 . 39 图 14 通信感知一体化三层框架 . 42 图 15 通信感知计算一体化网络架构 . 43 图 16 通信感知一体化的业务连续性需求 . 44 图 17 通信感知一体化的不同感知链路 . 45 图 18 通感一体化硬件架构示意图 . 46 III 表目录 表格 1 无线感知分辨率计算公式 . 28 表格 2 无线感知定位精度计算公式 . 28 表格 3 无线感知无模糊精度范围计算公式 . 29 表格 4 克拉美罗计算公式 . 29 表格 5 无线感知距离盲区计算公式 . 30 表格 6 互信息加权波形生成方法 . 38 1 引言 在 IMT-2030 推进组的统一安排下，无线技术工作组 通信感知一体化 任务组就 通信感知一体 化技术 在 6G 应用场景需求、基础理论、空口技术、组网技术、硬件架构等方面 开展了深入调 研分析，为下一步相关研究 工作 提供指导和思路。本报告在对当前国内外的主要研究状况进行 调研分析的基础上，结合部分成员单位在 通信感知一体化方面 的一些研究工作，对 通信感知一 体化 的 研究挑战及潜在关键技 术及应用前景进行了分析与探讨，以期对未来的 6G 研究工作起 到一定的借鉴和指导作用 。 第一章 通信感知一体化概述 1.1 6G 对通信感知一体化需求 信息技术日新月异。 信息 技术、移动通信技术、人工智能与大数据技术的深度融合（ ICDT）， 驱动着 5G 在技术和业务两个层面向 6G 演进，业务要素从人向智能体、物理空间和虚拟空间要 素扩展，信息处理功能需求从信息传递向信息采集、信息计算扩展。移动互联网和物联网业务 不断增强， AI 业务、沉浸式业务和数字孪生业务不断涌现，正广泛渗透到个人应用以及智能制 造、智能交通、智慧能源、智慧医疗等垂直应用领域。 AI 业务基于机器学习技术辅助或代替人 类工作，其信息处理需求重点是感知、训练、推理和决策，沉浸式业务基于全息通信和 扩展现 实（ XR）技术实现通感体验与远程控制，其信息处理需求重点是感知、渲染与显示；数字孪生 业务是指基于物理与虚拟系统交互映射能力实现对物理世界的仿真与操控，其信息处理重点是 感知、建模与控制。 上述新兴业务对 6G 网络提出了端到端信息处理能力的更高诉求，使得通信感知一体化成为 6G 技术与业务的主导趋势之一。 6G 网络预期将是移动通信网络、感知网络和算力网络的融合 体。狭义的感知网络是指具有目标定位（测距、测 速、测角）、目标成像、目标检测、目标跟踪 和目标识别等能力的系统，广义指具有感知一切业务、网络、用户和终端，以及环境物体的属 性与状态的系统。 2 在复杂的应用场景中，业务信息处理流程呈现出通信感知高度耦合的特征，一是感知环节 与通信环节在时空域交叠，二是感知功能与通信功能相互影响；三是通信能力与感知能力具有 一致的大带宽频谱和大孔径天线的需求。 6G 新兴业务需求与 5G 网络在架构与能力上形成显著 差距，加速了 6G 新技术的研发进程。 首先，无线通信频段向毫米波、太赫兹和可见光等更高频段发展，与传统感知频段将产生 越来越多的重叠 。在相同频谱实现通信与感知，避免干扰，提升频谱利用率，是技术与产业发 展的优选路径。其次，无线通信与无线感知在系统设计、信号处理与数据处理等方面呈现越来 越多的相似性。利用同一套设备或共享部分设备器件实现通信与感知，降低设备成本、体积和 功耗，同样是产品的优选形态。此外，超大规模天线、大带宽、智能超表面、人工智能等技术 的发展将进一步推动感知技术的发展。 以上业务需求与技术发展趋势催生了通信感知一体化技术。通信感知一体化是指基于软硬 件资源共享或信息共享同时实现感知与通信功能协同的新型信息处理技术，可以有效提升系统 频 谱效率、硬件效率和信息处理效率。 同时具有通信和感知功能将是 6G 基站和终端的能力趋势。 6G 基站将具备对覆盖区域的目 标状态监控能力，例如低空飞行物、交通车流和热点人流，可检测、定位、识别和跟踪部分重 点目标。还具备对覆盖区域自然环境状态、天气等的实时测量能力。移动终端将升级为智能体， 无人车、无人机、机器人以及其他智能化设备系统能力不断增强。近距离上，智能体需要识别 人的位姿、动作和表情识别，增强人机接口性能，需要识别多智能体之间的动作状态，提升智 能体协作性能。微观距离需要识别人体内部、产品内部和物品内部的目标属性 ，提供远程、基 于 AI 的以及无人化的体检、质检和安检服务。这些服务进一步驱动智能体感知通信一体化，不 仅可以提升智能体间，以及智能体与系统间的信息交互能力，还有望降低智能体硬件设备体积、 功耗和成本，进而推动新业务的普适化。 面向未来 6G 无线网络，通信能力与感知能力将融合共生，演进成为“通信感知一体化”技 术方向，赋予 6G 网络无时不刻、无处不在地感知物理世界的能力，既充分满足多维感官的交 融互通，又有效支撑通信能力的广域拓展，开启超越传统移动通信网络联接的应用空间。 3 图 1 通信感知一体化链接物理与数字世界 1.2 通信感知一体化范畴 在通信感知一体化中，感知能力聚焦无线信号感知，即通过分析无线电波的直射、反射、 散射信号，获得对目标对象或环境信息（如属性和状态等）的感知，完成定位、测距、测速、 成像、检测、识别、环境重构等功能，实现对物理世界的感知探索。 从 无线感知方式的角度来讲，可以分为主动式 /被动式与交互式 /非交互式两个维度。 被动感知：感知者（网络侧或终端）通过获取目标对象发射的电磁波（如太赫兹波）或 反射来自感知者和目标对象之外的电磁波进行感知，比如 射电天文中国的无源 成像类感 知技术。 主动感知：感知者（网络侧或终端）发送电磁波，经过目标对象反射后，感知者接收回 波进行感知，比如发射探测信号的 雷达类感知技术。其中接收反射波的节点不一定就是 发送探测信号的节点，即感知方的多个节点之间可以通过某种形式的联合处理实现主动 感知。 交互感知：感知者（网络侧或终端）与目标对象（网络侧或终端）之间通过信息交互， 对电磁波发送的主体、时间、频率、格式等内容进行约定（含实时通过握手交互方式约 定，以及通过标准规范等方式的事先约定），感知者对接收到的电磁波进行感知，比如 现有通信系统实现定位的方式可以认为是交互感 知。 非交互感知：感知者（网络侧或终端）与目标对象之间不进行信息交互。 根据 以上两种维度，实际的感知方式可以是主动 -交互式、主动 -非交互式、被动 -交互式与 被动 -非交互式的。例如，现有通信系统中的定位技术是一种被动 -交互感知。 4 由此，本 报告 认为：通信感知一体化是指通过空口及协议联合设计、时频空资源复用、硬 件设备共享等手段，实现通信与感知功能统一设计，使无线网络在进行高质量通信交互的同时， 实现高精度、精细化的感知功能，实现网络整体性能和业务能力的提升。 通信感知一体化的核心设计理念是要让无线通信和无线感知两个独 立的功能在同一系统中 实现且互惠互利。感知将不只是通信网络的优化或辅助工具，而是 6G 网络中的原生能力，与通 信能力互助共生 ，并为 6G 开辟新的应用前景 。一方面，通信系统可以利用相同的频谱甚至复用 硬件或信号处理模块完成不同类型的感知服务。另一方面，感知结果可用于辅助通信接入或管 理，提高服务质量和通信效率。畅想面向 2030 年的信息社会，通信感知一体化将成为 6G 网络 中的基础性核心技术，有力支撑以万物智联、通感共生、虚实交融为特征的新型信息基础设施 的加速构建。 图 2 通信感知 一体化范畴 1.3 通感一体化对频谱需求 移动通信领域从 2G 到 5G 经历三十多年的发展，一直致力于通信能力和通信性能的持续提 升，而射频电磁波具有的无线感知能力并没有得到深度挖掘和应用。伴随着移动通信系统的工 作 频率 逐渐增高， 5G 网络中大规模天线得到广泛的应用，移动通信系统与雷达系统在频谱应用、 MIMO 传输、数字和模拟波束赋形技术方案上有很大相似性，而 5G 的大规模天线和相控阵雷达 在设备形态上也具有趋同性，通信与感知的融合已经被学术界和产业界认为是 B5G/6G 的一个最 重要的技术演进方向。 6G 通过连接万物、智慧内生、多维感知 的能力，将会成为物理世界与数 字世界连接的纽带。 AI 已被业界确定为 6G 网络的标志性能力，无处不在的 AI 应用将会是构建 在无穷无尽的大数据基础上，因此集成泛在感知能力的 6G 网络将成为一个巨大的传感器，无时 无刻地对物理世界进行感知。通信感知一体化的目标就是在同一频谱、同一设备上同时支持通 5 信和感知功能，可提升频谱利用率、降低设备成本，使能通信和感知两个功能的高效协同和互 惠互利。 6G 的设计目标就是内生集成智能、通信和感知，因此通感一体化在 6G 网络中对频谱 的需求整体上是全频段的，但同时也要结合不同频段的频谱特性，来分析和 评估不同频段可达 到的感知性能指标和可满足的感知业务能力。 已经规模商用的 4G/5G 移动通信网络的射频频谱范围是在 6GHz 以下，毫米波频段也会在 5G 网络中逐渐得到更加广泛的应用。 6G 会是全频谱网络，频谱使用会扩展到太赫兹频段。考虑到 不同频段的无线电磁波的传播特性的差异性、频谱带宽的可获得性、以及设备实现的规格和设 备形态的差异等，基于不同频段进行无线感知的能力也会存在差异，进而可获得的感知的性能 以及可满足业务能力也是不同的。如下针对几类典型的频段范围，从实现无线感知功能角度给 出了相关的差异性分析： 传统 低频段 Sub-6GHz 频段目前是 4G/5G 商用网络的主力频段，典型带宽是 20M-100MHz。由于频段低， 无线传播路径损耗小，覆盖距离远，主要用于宏蜂窝室外覆盖。由于可用工作带宽的限制，时 间分辨率不高，目标定位和测距精度仅能达到 110 米量级。可以满足一般精度的目标感知和定 位业务的需求，但无法支持高精度定位和目标探测的需求。 毫米波频段 毫米波频段射频工作带宽大，距离分辨高，可以实现厘米级别目标定位。由于毫米波频段 设备都是 基于 相控天线阵方式实现模拟波束赋形方式，可以形成很窄的空间波束，因此也具有 很好的空间角度分辨 率。因此相比低频段，毫米波可实现更高精度定位、高精度目标检测和跟 踪以及 3D/4D 成像。毫米波频段由于波长短，被感知物体的微小动作可引起信道状态信息的相 位变化，因此毫米波频段可支持如手势识别、姿态识别等人机交互的用例，也可实现呼吸、心 跳检测等人体特征细微变化类的用例。另外，相比低频段，毫米波频段对多普勒偏移的感知能 力更强，因此更适合应用在高速移动场景下的目标跟踪和运动速度测量，比如无人机追踪和智 能交通中的车速测量等。 太赫兹频段 太赫兹频段 （ 0.1THz-10THz） 相比毫米波频段 有更大的带宽和更小的波长，比 较适合于高 精度的中近距离的通信感知场景，且小波长的特征使得 可以在很小的设备尺寸 内 集成足够多的 天线，因此非常适合小型化的通感一体化设备，易安装易携带。从感知角度，太赫兹带宽足够 6 大，天线数足够多，可实现近距离场景下的超高精度定位和成像应用 ，且由于太赫兹 对许多介 电材料和非极性物质具有良好的穿透性 ， 因此 太赫兹频段也具有良好的 穿透成像、 材料探测、 物品缺陷检测等能力。 另外， 许多有机分子的振动和旋转频率在太赫兹波频段，可 利用太赫兹 识别 分子结构并分析物质成分，且具有指纹般的唯一性。 可见光 频段 可见光 频段（ 主要指 390830THz频段 ） 可用的频带宽度 极宽 ，因此可以实现超高速的通信 和超高精度的感知。目前可见光频段的发射器件已经可以实现较高功率的输出，且发光和探测 器件的尺寸更小，可以高密度集成，适合便携终端等场景。此外，由于可见光照明设施广泛存 在，因此布署起来也 非常 便捷 。 7 第二章 通信感知一 体化 研究现状与发展 趋势 2.1 通信感知一 体化国内外 研究 现状 2.1.1 通感一体化学术研究进展 通信与感知技术研究长期以来 吸引了巨大的学术界的研究兴趣和 广泛 关注。 在通信一体化 应用场景研究方面 ， 中国信息通信研究院发表 文章，对 通信感知一体化愿景需求 、 应用场景 ， 技术趋势 挑战进行了分析与研究 1。华为技术有限公司在通感一体的驱动力，技术挑战和发展 趋势方面进行了研究 23。 在通感理论研究方面 ，亚利桑那大学的 D. W. Bliss 教授团队对雷达 和通信进行了联合信号模型假设和推导 ， 定义基于克拉美罗下界的雷达速率评 估准则 ，提出了 一种针对雷达与通信联合估计的理论评估准则 4。在雷达与通信辅助定位方面， 德州大学团队 研究在信道快衰和慢衰场景下雷达与通信辅助与 GPS 的定位性能评估 5。 慕尼黑工业大学的研 究团队基于广义信道反馈估计信道状态参数，对感知通信一体化性能极限问题进行了探究 6。 J.A. Zhang 等人研究了基于无线蜂窝网络的感知功能 与特性，定义 了感知移动网络（ Perceptive Mobile Network, PMN），并讨论了利用信道估计信号、非信道估计信号、数据负载信号进行感 知 7。此外，一些相关文献还介绍了上行感知的发射机和下行感知的接收机设计结构，提出感 知参数的直接估计和非直接估计等算法。 此外，还有大量关于无线通感 融合方案的研究。例如， Zhang J Andrew 等人设计了联合的高效波束成形方案 8，北京邮电大学研究团队提出了通信感 知一体化波形设计方案 9， F. Liu和 C. Masouros讨论了混合波束赋形 10， S. Ji等人 探讨了 MIMO 在通感融合系统中的应用 11， Y. Zhou 等人 研究了资源分配问题 12， H. Jiang 等人 概述了 WiFi 感知在智能家庭中的应用 13， C Chaccour 等人 分析了太赫兹感知与成像典型场景与挑战 14， Z. Li 等人 利用感知获得的用户位置信息和环境地图提高密集城市网络中的通信吞吐量 15， 等 等。 2021 年 4 月 15 日，由中国电子学会通信分会、华为技术有限公司、中国信通院、中国移动 研究院、中国通信学会物联网委员会主办，电子科技大学和西南交通大学协办的“第一届 6G 通信感知一体化学术研讨会”在成都召开， 众多 国内外学术界和工业界的知名专家学者针对通 感一体的愿景和技术进行了演讲和圆桌讨论 ， 有效 促进通信感知一体化学术界 与产业界之间的 交流 。会议 探讨了通信感知一体化技术发展历程、潜在新应用场景、理论界、指标体系、技术 8 挑战、技术方案研究进展等，在通感知一体化科学研究价值、工程前沿价值与应用价值等方面 达成研究共识，为 6G 网络能力及业务扩展升级提供 积极的 建议。 此外 ， IEEE 成立了 ISAC 通信感知一体化新兴技术倡议委员会（ ComSoc ISAC-ETI），通过 邀请十二位工业和学术界的专家学者，计划在半年时间内，以每两周一期在线研讨会的形式， 从 不同方向探讨 ISAC 标准化、通信体系结构、信号处理算法、移动计算实现和信息理论基础 等相关领 域的最新成果。截止 2021 年 6 月 16 日，该组织已成功举办了三期包括“感知通信一 体化在 6G 中的机遇与挑战 （华为朱佩英博士） ”、“ Joint Radar Sensing and Communications: Joint Benefits for free（ 柏林工业大学 Giuseppe Caire 教授 ） ”、“ Deep Analog-to-Digital Compression with Applications to Automotive Radar and Massive MIMO（以色列魏茨曼科学研究 所 Yonina Eldar 教授 ） ” 等 在内的 ISAC-ETI 系列研讨会。 2.1.2 通感一体化 产业动态进展 无线通信感知 一体化因 其 不仅可以开辟全新的业务 、还有可能 开启超越传统移动通信网络 联接的应用空间 的潜力 ， 得到了 国内产业界 的 广泛关注 ， 并 在相关领域 已取得了一定的阶段研 究成果 。 在 2018 年 GlobeCom 大会上 ，业界首次 提出基于无线频谱（特别是高频段）的通信 感知一体化技术研究方向 16。 国内多家公司和机构 发布 6G 白皮书提出通感一体 化技术作为 6G 重要研究方向 2181920。 在 2021 年 MWC 和 EUCNC 展会上 ， 华为公司 进行了太赫兹通信 和感 知成像样机的展示，完成 基于 太赫兹频点 210Gbps 通信速率和 3 毫米级成像精度的 实时 演示 8。 此外， 2021 年 4 月 9 日，中国移动研究院和华为技术有限公司联合主办的“通信感知一体 化”行业应用研讨会在北京召开。运营商、行业应用厂商、网络设备商、终端厂商等产业代表 共同探讨“通信感知 一体化”行业应用方向，分析 5G 演进和未来网络新能力带来的产业新机 遇 ，并展望感知在 6G 中的应用和机遇。会议研讨了基于 5G 网络构建广域高精度感知能力，解 决在无人机、交通管理、工厂自动化、 国铁周界和医疗健康领域中的难题， 希望 进一步激发 5G 网络 以及未来 6G 网络 的社会价值，推进通信感知融合在各行业走向规模商用。 美国也在无线通信感知一体化领域有相应的产业研究和布局 。 2020 年 ， 美国国防部高级研 究计划局（ DARPA） 正式宣布成立 “太赫兹与感知融合技术研究中心”（ ComSenter） ， ComSenTer 将太赫兹作为 6G 数据传输关键技术之一，研究开发高容量和高精度的通信感知一体化应用能 力。 主要分为器件、电路、系统与样机展示四个小组，目标为 太赫兹频段的超高速 通信与 高精 度成像 。 9 此外 ，欧洲也非常重视无线通 信感知一体化方向。 2021 年 ， Horizon European 的旗 舰 Hexa-X 项目由欧洲 25 个企业和高校联合成立 ， 规划 建立一个由互联智能、可持续性、全球服务覆盖、 极致体验和可信度组成的 X 使能结构。 Hexa-X 项目的目标包括在以下领域开发关键技术推动 因素：高频和高分辨率定位和传感的全新无线电接入技术；通过人工智能驱动的空中接口和未 来网络治理实现互联智能，以及用于网络分解和动态可靠性的 6G 架构推动因素。 2.1.3 通感一体化标准研究进展 在蜂窝网络标准方面，定位作为 5G 时代的感知服务代表，已经在 3GPP 进行 了 3 个 Release 的标准化工作。 3GPP Rel-15 NR 定义了 NR 定位协议 A（ NRPPA），在 Rel-16 阶段开始研究基 于 NR 的定位技术，定义新的定位参考信号和终端 /基站（ UE/gNB）测量，更新定位的信令协 议和过程。定位技术作为典型的感知技术，是支撑未来通感知融的基础技术。 3GPP 定义的定位 技术主要用于对通信设备定位，而通感融合定位需求还包括对非通信设备的定位，因此针对不 同通感融合场景的定位技术还需要进一步的增强设计。无线通感融合技术目前处于技术预研阶 段，尚需进一步的梳理无线通感融合技术框架及关键技 术，进一步的分析标准化需求，最终提 出并形成标准化协议体系。 在 WiFi 标准方面， IEEE 802.11 在 2020 年 9 月设立了 IEEE 802.11bf 工作组，聚焦于无线 局域网感知（ WLAN Sensing）。该标准化项目旨在提高 WLAN 传感的可靠性和效率，并建立无 线设 备的互操作性，以推进一系列的全新、高价值的应用落地。 WLAN 感知可应用于房间、汽 车内部、企业等，感知人、物体、动物的诸多属性，例如距离、速度、角度、动作、人数计算 等。 WLAN 感知的测量结果可用于诸多新的工业和商业场景，例如半导体制造、企业网络、 设 备的测试和维护。该标准还将推动各种终端应用的发展，如家庭安全、 娱乐 、能源管理、家庭 老人护理和辅助生活等。 在更高的频谱上， IEEE 802.15.7 制定了短距离可见光成像通信技术标准，要求网络支持指 定设备、移动台及车载设备等，且所有设备通信工作在可见光谱内。可见光成像通信指的是利 用图像传感器作为可 见光通信的接收端，在对图像中明暗相隔的条纹解码的同时传递若干位信 息，进而实现可见光成像通信。 10 2.2 通信感知一体化 技术发展趋势 业界有观点认为， 6G 将构建起人机物智慧互联、智能体高效互通的新型网络，有能力提供 扩展现实、 全息通信等深度沉浸式交互场景，全方位支持自动驾驶、无人机协作等高精度物理 空间感知 业务 ，助力人类社会走向虚拟与现实深度融合的全新时代。因此，为支持以上愿景需 求，在未来 6G 网络中通信能力将与感知能力深度融合，感知能力逐渐升位，有力承载起沉浸 式、智慧化、无人化等全新业务。 在通信感知一体化的技术发展过程中，通信与感知将分阶段、分层次融合演进，其技术趋 势主要包括 “业务共存、 能力互助 、网络共惠 ”三个阶段（ 图 3 所示）。 首先，业务共存作为 起 始阶段，原先分立的通信系统与感知系统已经集成在同一物理平台中，通信业务与感知业务作 为两种业务形态共同存在 ， 技术方案 重点关注干扰管理和资源分配等。然后， 能力互助 作为发 展阶段，通信能力与感知 能力互助 配合 ，实现感知辅助通信或通信辅助感知，技术方案重点关 注波形设计、收发处理算法等。最后，网络共惠作为成熟阶段，通信与感知将实现频谱资源、 硬件设备、波形设计、信号处理、协议接口、组网协作等全方位、多层次的深度融合，通信网 络与感知网络共惠双赢 ，技术方案重点关注多点感知、协作组网等。基于以上三个阶段的发展， 最终构 建 6G 的内生感知能力。 图 3 通信感知一体化的技术发展趋势 2.2.1 通信感知一体化 业务共存阶段 业务共存作为通信感知一体化技术发展的起始阶段，通信感知一体化系统设计上已经 支持 原先分立的通信系统与感知系统 共享 物理平台，进而极大地提升频谱效率、能量 效率 、硬件等 资源利用率，降低系统造价与成本。但二者还未实现波形、收发信号处理等算法层面的一体化 11 设计，因此如何管理并抑制二者间互干扰将成为研究重点。 在这个阶段，通信感知一体化的技 术研究主要关注资源管理技术、干扰消除技术、频谱共享技术 等。 在通信感知 一体化 技术发展的不同阶段，面对不同的技术关注点和需求，系统性能也有不 同的优化方向，需要考虑不同的通信感知一体化系统的性能指标体系。 在业务共存阶段，系统的优化设计以通信或感知的单方面性能指标为主要考虑，当通信与 感知二者之间存在资源分配和干扰协调等需求时，在满足系统基本需求的前提下单方面优化通 信或感知二者之一的性能。通信系统和感知系统设计的主要原则是二者之间尽可能避免相互影 响，也不存在相互辅助的考虑。 在业务共存的极端情况中，即通信或感知二者中只有一种业务存在时，则完全不需要考虑 对另一种业务的 影响，只需在系统设计的限制条件下全力优化当前工作的系统。如 图 4 中所示， A 点代表 通信系统独立工作时性能指标最大化，即在通感一体化的前提下，仅聚焦于通信系统， 感知系统不工作，此时的指标体系可以表征为： 系统优化目标： Max 通信系统性能指标 系统限制条件：保证通信系统的工作条件 而 图 4 中的 B 点 代表 感知系统独立工作时性能指标最大化，即在通感一体 化的前提下，仅 聚焦于感知系统，通信系统不工作，此时的指标体系可以表征为： 系统优化目标： Max 感知系统性能指标 系统限制条件：保证感知系统的工作条件 另一方面 ， 当通信与感知业务同时存在时，则需要统筹考虑优化二者之一的性能并减少彼 此之前的干扰等影响 ， 图 4 中的 C 点，如果聚焦于通信系统， 以优化通信系统性能（吞吐量、 频谱效率、时延、可靠性、连接密度等）为主，配合考虑不对感知系统产生影响；如果聚焦于 感知系统，以优化感知系统性能（ 距离分辨力、角度分辨力、速度分辨力、感知距离范围、识 别率、成像精度等）为主，配合考虑不对通信系统产生影响。此时，在通感一体化的前提下， 既关注通信系统，又关注感知系统，且同时工作。 针对这种场景，整个系统的指标体系可以表 征为： 系统优化目标： Max FunC(通信系统性能指标 )+FunS(感知系统性能指标 ) 系统限制条件： 满足通信系统的工作条件 Y (t)|M(t)， 其中 Y (t)表示目标接收机接收到的信号， I (x;y|z) 表示在给定变量 z 时变量 x 和 y 之间的 信息论 互信息 。 。在感知过程中，射频信号由 传播 媒介操 控，而不是射频源。也就是说，我们可 以将感知视为一种特殊的通信方法 。 在 传播 媒介中携带 信息 (dM)， 通过 第三方射频信号 将该信息传送至接收端。， 因此， 我们可以将感知速率极限定义 为 I (Y (t);M(t)|S(t) 1819。 基于互信息的 理论模型 ， 通信和感知可以在同一个范畴下表示， 在同时考虑 感知探测 符号 和数据符号的情况下， 通过联合优化设计，达到一定准则下的最优通信一体化化性能。 4.2.2 通信感知一体化基础理论潜在研究方向 对通信感知 一体化 （ ISAC）基础理论及界限的研究一般都要结合具体的波形形式、约束条 件、应用场景需求等，目前的研究现状及潜在 研究方向 主要 有： （ 1） 信号 波形 约束下的理论性能边界研究 针对基于 OFDM 的通信感知一 体化系统，文献 4给出了在一定功率约束下，通信感知一体 化系统所能达到的目标检测性能和通信信道容量的理论边界。对于需要同时完成目标参数估计 和信息传输的雷达通信一体化系统，目标的参数估计精度和通信信道容量是衡量系统性能的必 由选择，研究了 OFDM 通信感知一体化系统在有限的发射功率下，所具有的目标距离、速度和 角度估计精度的下界，即目标距离、速度和角度估计的克拉美罗界，以及通信信道容量的上界 5。此外，对于需要同时完成目标分类和 通信信息传输的通信感知一体化系统，目标脉冲响应 与通信感知一体化信号之间的互信息以及通信感知一体化信号与接收信号之间的互信息的加权 34 和可作为通信感知一体化系统的衡量标准。基于 OFDM 的通信感知一体化系统的理论性能边界 67，将通信感知一体化系统总频带划分为两个子频带，其中一个子频带只用于通信，而另外一 个子频带同时用于雷达和通信，并研究了不同频带间功率分配方式下通信感知一体化系统数据 信息率和估计率的理论边界 89。 在通信 感知 一体化系统的工作环境中， 感知 与通信的信道通常 是频率选择性衰落的，为此， 文献 10分析了在瑞利衰落信道模型下的 OFDM 通信 感知 一体化 波形的性能边界，在此基础上，分析了功率约束下的一体化性能与目标检测概率边界的关系。 文献 11提出了一种通信 感知 一体化波形性能边界的理论框架。 文献 11将 雷达感知 目标检测的 Neyman-Pearson 准则与通信波形的互信息概念进行 了 推广，构建了通信 感知 一体化波形性能评 估准则，对一体化波形性能边界分析的研究具有重要的意义。 文献 12提出了一种新的通信 感 知 联合估计性能边界，通过将熵的概念运用到性能边界计算中，最终获得了雷达 感知 与通信的 信息估计速率。 文献 13分析 了连续波通信 感知 一体化波形的理论性能 ，文献 13利用信息论原 理对感知 与通信之间的 性能 权衡进行了表征， 并 通过对理论 性能边界的研究，得出 雷达 感知 与 通信工作在不同频段时的最优功率分配方法。 当 通信 感知 一体化系统工作环境 中 存在干扰 时 ， 文献 14分析了干扰条件下的通信 感知 一体化波形的性能边界。 在文献 14中 ， 一体化系统的信 道为高斯多址信道， 利 用信 息论的原理分别 分析了雷达 感知 与通信的性能边界。 在 6G 及通感一体化的新需求下，会有更多新的波形形式和类型，因此研究具体 6G 波形约 束下的理论性能边界，以及在一定约 束条件下设计能够接近理论边界的波形是一个潜在的研究 方向。 （ 2）通信感知一体化 优化理论 对通信与感知一体化系统进行性能分析可以为实际部署提供参考价值，同时资源分配可以 在满足通信或者感知要求的前提下，提升感知或者通信的性能，或者使两者达到折中的效果。 如文献 15设计出一种新型的通信感知一体化系统，其中通信基站协作雷达进行感知，同时与 用户进行通信，实现感知探测与通信的功能，并分别对通信端的中断概率与感知端的感知概率 进行评估。文献 16应用无人机协作的方式实现通信感知一体化，研究了系统的平均互干扰与 通信容量， 并且采用平均协作感知容积作为感知性能的度量。针对通信感知一体化系统，文献 17设计出资源分配算法，在保障雷达接收信干噪比的前提下最大化通信端的吞吐量；或者在 保证通信吞吐量的同时，最大化雷达接收信干噪比等。目前通信感知一体化的资源分配的模型 还是比较简单，应用场景也有限，随着 6G 相关技术的研究深入和应用场景的推广，其评估准 35 则和指标必将越来越细化、明确，因此根据通感一体化的评估准则和性能要求来进行资源配置 和部署也是将来的一个研究方向。 （ 3）性能评估准则及性能理论限研究 通信 -感知性能的折中是评估 ISAC 系统的 基本手段，目前它的表征方法主要有以下三种 1819。 1) 估计信息速率： 估计信息速率代表了观测 Y 和真实参数 之间的互信息。具体来说，假设 服从方差为 P 的 高斯分布，估计值 的均方误差失真为 D ，有下列不等式成立： 1; ; l o g2 PI Y I D 该性能界限将均方误差失真转换为感知中的估计信息速率，因此，可以 此 研究通信信息速 率和估计信息速率之间的权衡。 2) 等效均方误差： 与在感知系统中引入等效估计信息速率的方法相反， 该方法 将通信信息速率等效为均方误 差指标。具体来说，考虑一个高斯信道 Y snr X Z，其中 , 0,1XZ ，从输出 Y 中估计 输入 X 的最小均方误差为 1 / 1D sn r sn r。因此，可以将给定的通信信息速率 lo g 1C sn r sn r转化为等效的均方误差指标： Equivalent 2 CD 。 以便在相同的量纲下此 研究 通信等效均方误差和估计均方误差之间的权衡。 3) 容量 -失真函数： 与上述两种方法不同，第三种方法采用容量 -失真函数 ()CD来表示通信容量和感知失真之 间的权衡。例如，当考虑点对点 ISAC 信道时，发送 端希望在向预期的接收端发送消息的同时， 通过回波信号估计信道状态， 此时 容量失真函数由下式给出： m a x ; , s . t . ,pXC D I X Y S d S S D 其中 ,XY 分别是输入和输出的符号， S 是估计出的感知状态， ,d S S是估计器的平 均失真度。 上述性能指标中，均有其 一定 的局限性。第一种指标假设了高斯分布的感知参数和估计误 36 差，需要知道估计器的均方误差，而第二种指标也只适用于 简单的线性高斯信道模型 ， 第三种 是在 限定感知 估计 失真度情况下的最大化通信容量模型 。 然而，当前考虑的 信息论 模型是初步的，不能涵盖许多重要的 ISAC 场景。因此，需要新 的框架和更 通用 的方法来更好地描述 ISAC 的性能界限 。另外对性能界限的讨论和研究还需要 考虑不同的信道拓扑结构和工作模式的影响。 另外，如何估计通信信道和感知信道的 协方差矩阵相关系数 ，如何配置通感一体化中的导 频数据比 、 如何平衡 感知和通信权重系数等动态运行机制的设计 都是需要进一步研究的课题。 若是雷达和通信的结合，我们还需要研究如何根据我们的需求来合理 利用联合系统的速率边界 从而进行系统配置。 目前 ，大部分的相关研究是基于 点对点通信 模式比如发送通感一体化信号 给终端的时候无上行 干扰，同时使用空间上广泛分离的天线阵列 来接受 感知 周边物体的干净的 反射信号 。 但实际情况 ， 无论是在基站测还是终端侧，信号干扰 总是存在的 ，如何解决这些干 扰也是非常重要的课题。 37 第五章 通信感知 一体化关键技术 5.1 通信感知一体化关键技术挑战 通过前面章节对通信感知一体化需求 ，应用及基础理论的分析，在通信感知一体化研究演 进过程中 将面临来自多方面、多层次的技术挑战，其主要的技术挑战可以总结如下： （ 1） 通信 感知一体化理 论：通过对 感知 信息一体化信息论进行研究揭示感知和通信一体化 的信息论本质。与传统香农信息论不同的是， 感知会对系统引入不同的性能指标和极限。需要 在此基础上建立新的 通信 感知 一体化信息论，探索两功能的最佳性能边界和性能折中。 （ 2） 通信 感知 一体化 信号处理 ：感知通信一体化的信号处理具体包括一体化波形设计、联 合发射波束成形、联合信号接收等。从功能优先级角度看，还可以将一体化信号处理思想分为 以感知为主的一体化设计、以通信为主的一体化设计和联合加权设计 3 种类型。 （ 3） 通信 感知 一体化协议以及系统架构设计：以雷达 感知为例，从工作体制来看，雷达一 般分为脉冲式和 连续波雷达 ，而通信则采用时分或频分双工。为实现感知和通信体制的进一步 融合，需要设计新的传输协议和系统架构，以实现两者功能的协同传输 （ 4） 通信 感知 一体化实现方式的多样性：与现有成熟的通信和感知技术相比，通感一体化 系统的波形、硬件实现等研究均处于初级阶段，可能的设计和组合多样。 下面，本报告将从空口技术，网络架构与硬件架构三方面分析通信感知一体化的潜在关键技术 研究方向。 5.2 通信感知一体化空口关键技术 5.2.1 通信感知一体化波形技术 在面向下一代通信技术中，通信和感知完全或者 高等级融合将成为一种重要趋势，其中一 体化波形设计是实现通感一体化的里程碑