通感一體化：基站和雷達(dá)也能合體？

作者 / 蜉蝣采采

想象一下，在未來的某一天，你坐在沙發(fā)上，只需一揮手，窗簾打開，燈光點亮。然后你變換新的手勢，手指在空中上下翻飛，悅耳的鋼琴聲便充滿了整個房間。

是的，你不但在用手勢來控制家中的一切，還能在空中彈奏虛擬的鋼琴！要做到這些，必然需要通過無線的方式來進行高精度的身體定位和動作識別，并把識別的結(jié)果轉(zhuǎn)換為指令，并實時傳回控制系統(tǒng)。這就要用到我們本文要講到的技術(shù)：通信感知一體化。它是3GPP在5G-Advanced階段研究的新技術(shù)，也被看作6G的關(guān)鍵技術(shù)之一。它也是Wi-Fi組織正在研究的課題，實現(xiàn)開頭的場景只需要一個無線路由器。

1、什么是通信感知一體化？

話說這世間的萬事萬物，大抵都是相通的。通信和感知這倆看似八竿子打不著的東西之所以能合體，必然是它們在最底層共享著同樣的基因。對于通信，我們是非常熟悉的。通過基站和手機之間相互收發(fā)無線信號，我們就能在那塊小小的屏幕上打電話，聽音樂，刷視頻，和這個世界緊密相連。感知，顧名思義就是通過某些手段來探測周邊環(huán)境的狀態(tài)，物體的位置、方向、高度、速度、距離，還可以判斷物體的形狀，甚至人的動作手勢。

這不就是雷達(dá)的工作職責(zé)嗎？

雷達(dá)的基本原理，就是發(fā)出無線電信號，然后通過探測和分析接收到的反射信號來進行高精度的感知工作。簡單來說，當(dāng)無線電信號遇到不同介質(zhì)或物體時，它們會由于反射、折射、散射而產(chǎn)生不同的變化。如果我們能夠準(zhǔn)確地測量和分析這些變化，就可以得到物體或介質(zhì)的特征信息，比如形狀、大小、位置、材質(zhì)等。這就相當(dāng)于雷達(dá)用無線電波“感知”到了物體或介質(zhì)。除了普通雷達(dá)，還有激光雷達(dá)、計算機斷層掃描、磁共振成像等設(shè)備也能提供專業(yè)的感知能力。這下發(fā)現(xiàn)通信和感知的相通之處了嗎？

首先，通信和感知都需要使用無線電頻譜資源，而頻譜資源是非常稀缺和寶貴的。如果能夠讓同一個無線信號既能傳遞信息又能進行感知，那么就可以節(jié)省頻譜資源，并提高頻譜利用率。其次，通信和感知都需要使用類似的硬件設(shè)備（比如天線、放大器、濾波器等），而硬件設(shè)備也是非常昂貴和復(fù)雜的。如果能夠讓一套設(shè)備既能支持通信又能支持感知，相當(dāng)于節(jié)省了硬件成本。再次，通信和感知都需要進行類似的信息處理（比如編碼、調(diào)制、解調(diào)、解碼等），這個過程是非常復(fù)雜的。如果能夠讓一套算法既能實現(xiàn)通信又能實現(xiàn)感知，以有限的代價換來了翻倍的能力，想必也是極好的?？梢钥闯?，基站是為“通信”而生的專門設(shè)備，雷達(dá)則是專為“感知”而存在的，它們雖然在表面上看起來迥然相異，卻早已將根緊握在地下，葉相觸在云里。

如果能在基站里面融入雷達(dá)的功能，采用一套設(shè)備同時實現(xiàn)通信和感知的功能，并達(dá)到通信輔助感知，感知輔助通信的化境，對兩者均可謂是一種涅槃重生般的雙贏。如上所述，通信和感知系統(tǒng)的融合，就叫做“通信感知一體化”，簡稱“通感一體化”或者“通感”。如果我們需要閱讀英文資料，則“通信感知一體化”寫作Integrated Sensing And Communication，簡稱ISAC，讀作“艾薩克”。ISAC這個名稱和經(jīng)典物理的奠基人艾薩克·牛頓爵士的名字在讀音上非常相似，也暗自印證著“萬物相通”這一亙古不變的真理。狹義的通感一體化是指具有上面提到的有測距、測速、測角、成像、目標(biāo)檢測、目標(biāo)跟蹤和目標(biāo)識別等能力的通信系統(tǒng)，早期也叫做“雷達(dá)通信一體化”。

而廣義的通感一體化則是指具有感知一切業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、用戶和終端，以及環(huán)境物體的屬性與狀態(tài)的通信系統(tǒng)，其在感知的上可具有超出傳統(tǒng)雷達(dá)的能力。

隨著5G頻譜從傳統(tǒng)的Sub6G向毫米波拓展，波長的減少讓感知的能力不斷提升。因此，在5G的下半場，也就是5G-Advanced階段，通信感知一體化被納入了標(biāo)準(zhǔn)化的議程。在未來的6G，頻譜將拓展到太赫茲，感知的能力會更進一步增強，給我們帶來更大的想象空間。

2、通信感知一體化有什么用處？

作為5G-Advanced階段研究的關(guān)鍵技術(shù)，6G的核心愿景之一，通感一體化可以給通信基站和終端疊加Buff，幫我們做很多事情，實現(xiàn)很多以前想象不到的目標(biāo)。

通感一體化的目標(biāo)不在于取代雷達(dá)、攝像頭或者其他傳感器，它的最大優(yōu)勢在于“順勢而為”。

這是因為，基站作為通信基礎(chǔ)設(shè)施是無處不在的，且在鐵塔上，電源、天饋、傳輸?shù)荣Y源均具備，如果只需通過軟件升級就可以擁有感知能力，何樂而不為呢？

下面是一些典型的通感一體化應(yīng)用場景。? ???低空安防隨著消費級無人機的發(fā)展，由于難以監(jiān)控，無人機隨意亂飛現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。這雖然對個人來說問題不大，但對一些需要保密的單位來說，再嚴(yán)密的地面安防，也擋不住無人機飛入飛出如入無人之境，未經(jīng)允許在空中隨意拍攝簡直不要太輕松。

為防止無人機“黑飛”造成的泄密、碰撞及噪聲等問題，需要高效、低成本地部署低空安防系統(tǒng)。目前無人機安防市場多種探測方案并存，但都面臨技術(shù)、效率、成本等諸多限制。通信感知一體化技術(shù)，可以讓需部署低空安防區(qū)域的多個基站秒變雷達(dá)，再結(jié)合基站內(nèi)部的算力資源，快速搭建低空安防系統(tǒng)，只要基站信號可達(dá)，就能實時定位和追蹤入侵無人機，供安防系統(tǒng)下一步?jīng)Q策參考。

反過來，基于通感一體化提供的成像、地圖構(gòu)建和環(huán)境重構(gòu)能力，系統(tǒng)可以化被動為主動，派出無人機進行偵察、物流派送等活動，并能根據(jù)多站感知能力，在未知的環(huán)境中執(zhí)行自動導(dǎo)航和路徑規(guī)劃。? ???

智慧交通

在車聯(lián)網(wǎng)場景中，需要對道路本身和環(huán)境進行識別感知，對車輛位置、速度及運動方向進行識別，對道路上異常事件進行識別。

通感一體系統(tǒng)可實時感知道路上的車流狀態(tài)，實現(xiàn)人、車、路的高效協(xié)同，保障交通安全，提升交通系統(tǒng)運行效率。

通感一體系統(tǒng)可利用通信基站站點高、覆蓋廣的特點，實時、大范圍、感知車道流量和車速信息，同時檢測行人或動物道路入侵，有效實施道路監(jiān)管，保障交通安全和提升交通效率。

智能家居

雖說基于攝像頭對家里進行監(jiān)控，分析人的動作以及行為在技術(shù)上都是可行的，但個人隱私泄露的風(fēng)險也很大。想象一下，在你毫不知情的情況下，自己在家中的一舉一動早已成了楚門的世界，是不是感覺不寒而栗。因此，基于攝像頭的智能家居方案的適用范圍有限，基于無線的解決方案已成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的發(fā)展趨勢。通信感知一體化系統(tǒng)可以利用基站或者Wi-Fi路由器發(fā)射的無線信號來實現(xiàn)對人的動作和行為的精細(xì)感知，為智能家居系統(tǒng)提供更加豐富的功能。

比如，采用通感一體化，可實現(xiàn)人來燈亮，人走燈熄；可以通過不同姿勢，可以切換操縱任意電器，還可實現(xiàn)本文開頭的虛擬彈鋼琴；當(dāng)小孩爬到窗口陽臺上，或者老人摔倒等危險發(fā)生時，給住戶發(fā)送通知；在住戶離家時有人進入，則會觸發(fā)安防報警。除了上述的家居控制，安防監(jiān)控之外，室內(nèi)的通感一體化還可以進行行為監(jiān)測。系統(tǒng)通過表跟蹤、定位和識別，可以對人的行為進行監(jiān)測并進行分析與判斷。比如，可通過對步態(tài)的精細(xì)化監(jiān)測與識別判斷是哪位家庭成員，還可以進一步分析每一個家庭成員看電腦、看電視、睡覺、走動等活動的時間比例，活動區(qū)間以及睡眠質(zhì)量等。? ???

社會治理

通信感知一體化還有很多我們意想不到的用途，比如氣候環(huán)境監(jiān)測、公共安全管理等社會治理的重要方面。在氣候環(huán)境監(jiān)測場景中，借助無線網(wǎng)絡(luò)無處不在的特性，基站可通過發(fā)送通信感知一體化信號，結(jié)合水分子、灰塵及各類化學(xué)物質(zhì)對無線信號衰落的特性，分析獲得一體化信號強度等變化特性，實現(xiàn)降水量、污染氣體排放和空氣質(zhì)量的實時監(jiān)測等。

基于太赫茲光譜的大氣PM2.5污染分級在公共安全管理方面，通過感知功能的實時探測，可以實現(xiàn)諸如臺風(fēng)預(yù)警、洪水預(yù)警和沙塵暴預(yù)警等功能，為災(zāi)害防范提前預(yù)留時間。?????

智慧醫(yī)療

健康醫(yī)療方面，通信感知一體化系統(tǒng)在實現(xiàn)高速通信的同時，還可以有效地實現(xiàn)健康監(jiān)測和管理?，F(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了利用通信信號實現(xiàn)人體的呼吸和 心跳的監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)呼吸和心率異常時，預(yù)警信息通 過通信鏈路實時回傳給用戶，實現(xiàn)實時監(jiān)測功能。同時，太赫茲成像和光譜檢查也將賦予醫(yī)療保健領(lǐng)域極大的想象空間。例如，太赫茲可以進行癌變組織、齲齒的檢測，以及對汗液、眼淚、唾液、外周血和組織 液的監(jiān)測。

太赫茲成像診斷宮頸癌患者轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)可以說，未來基于太赫茲的通感一體化系統(tǒng)，可以隨時隨地監(jiān)控你的健康狀態(tài)，讓一切病癥無所遁形。

3、通信感知一體化的技術(shù)原理

感知，需要利用無線電信號進行目標(biāo)檢測、定位和信息提取，目的和我們司空見慣通信是不同的，因此其實現(xiàn)原理和評價體系也是不同的。對于目標(biāo)檢測，雷達(dá)（支持通感的基站也一樣）需要發(fā)射信號并接收由回波信號、噪聲和其它干擾組成的混合信號，從這些蛛絲馬跡中判斷能否可以檢測到未知目標(biāo)是不是存在。

假設(shè)目標(biāo)已經(jīng)移動到了感知區(qū)域，系統(tǒng)隨即成功檢測到了，這當(dāng)然是最好的；如果系統(tǒng)沒有檢測到，這就叫做“漏檢”。而如果目標(biāo)并不存在，系統(tǒng)卻像“狼來了”一樣上報自己檢測到了，這就叫做“虛警”。

因此我們對于感知系統(tǒng)目標(biāo)檢測功能的需求是在低虛警概率下，盡可能高地提升檢測概率。一般來說，信噪比越高，檢測概率也就越高。在實現(xiàn)成功檢測的基礎(chǔ)上，就可以對目標(biāo)進行精確定位，也就是進行距離、速度、角度等數(shù)據(jù)的感知。目標(biāo)距離的感知主要是通過測量發(fā)射信號和目標(biāo)回波之間的時間差來實現(xiàn)的。這段時間差是電磁波在雷達(dá)（基站）之間往返一次的時間，用它乘以電磁波的傳輸速度（也就是光速），然后再除以2，就可以算出目標(biāo)的距離。

目標(biāo)速度的感知主要是利用目標(biāo)運動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，通過測量目標(biāo)回波信號的多普勒頻移來推導(dǎo)目標(biāo)速度。目標(biāo)角度的感知主要通過天線交疊多波束工作，通過不同波束輸出目標(biāo)的反射回波間的強度差，就可以據(jù)此來測定目標(biāo)角度了。

上圖表達(dá)了測角的一種方式

對于上述的目標(biāo)感知性能的評價，存在分辨率、定位精度、無模糊范圍和盲區(qū)等維度。這些指標(biāo)的定義和計算也都比較復(fù)雜，在此就不詳述了。

再回到通信，其性能通常以系統(tǒng)容量、時延、誤碼率等指標(biāo)來衡量。我們打開測速軟件嘗試一下，便可以直觀地看到表達(dá)通信的性能的指標(biāo)。由于通信與感知兩者的設(shè)計與優(yōu)化目標(biāo)不同、性能評價指標(biāo)不同，對通信最優(yōu)的傳輸方案，對感知可能并非最優(yōu)，反過來也是一樣的。因此，要實現(xiàn)通信感知一體化，就要從底層考慮如何把這兩個不同的功能和諧地縫合在一起，如何優(yōu)化發(fā)射信號，使得通信和感知的性能損失都能相對小一些，在總體上達(dá)成設(shè)計目標(biāo)。首先是通信感知波形和幀結(jié)構(gòu)的一體化。目前用于通信的基站和用于感知雷達(dá)使用不同的波形，為各自的目標(biāo)服務(wù)。要在基站上融合感知功能，首要問題就是兩者在波形上的共存。雷達(dá)系統(tǒng)的常見波形有脈沖波與連續(xù)波這兩種方式。脈沖波雷達(dá)是周期性發(fā)送的矩形脈沖，接收在發(fā)射的間歇進行，發(fā)射的時候是沒法接收的。如果目標(biāo)距離比較近，反射回波到達(dá)雷達(dá)天線時，信號發(fā)射還沒有結(jié)束，自然沒法接收信號并進行目標(biāo)檢測，因此我們說脈沖波存在感知盲區(qū)。連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射的是連續(xù)的正弦波，可以發(fā)射和接受同步進行。如果信號不進行調(diào)制，就叫作單頻連續(xù)波，主要用來測量目標(biāo)的速度。

如果測量目標(biāo)速度的同時，還要測量目標(biāo)的距離，就需對發(fā)射的波形進行調(diào)制，如調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，簡稱FMCW）等。

在當(dāng)前通信系統(tǒng)中，連續(xù)波占據(jù)主導(dǎo)地位，以4G和5G采用的正交頻分復(fù)用OFDM波形為代表。

通感一體化波形設(shè)計主要有以下三大技術(shù)路線：以通信為中心的一體化波形設(shè)計、以感知為中心的一體化波形設(shè)計、通感聯(lián)合的一體化波形設(shè)計。通感聯(lián)合的一體化波形固然是最終的目標(biāo)，但實現(xiàn)的難度也大，性能上是通信和感知的折衷，目前還處于早期研究階段。典型的通感聯(lián)合的一體化波形 OFDM-Chirp的原理如下圖所示，通信和感知數(shù)據(jù)通過頻分復(fù)用分別被調(diào)制到完全正交的奇數(shù)子載波和偶數(shù)子載波上，因此可以做到感知和通信信號互不干擾。

典型的通感聯(lián)合的一體化波形 OFDM-Chirp如果要在基站側(cè)集成感知功能，屬于在通信主業(yè)之外的順勢而為，不能喧賓奪主，自然需要以通信為中心的波形設(shè)計。反之，如果在雷達(dá)上集成通信功能，感知自然是第一位的，自然需要以感知為中心的波形設(shè)計。

在目前的移動通信網(wǎng)絡(luò)中，存在大量的基站，這屬于已投資的沉沒成本。讓這些基站實現(xiàn)感知功能的代價相對較小，但卻開辟了感知的新藍(lán)海，因此需首先考慮采用以通信為中心的波形設(shè)計。業(yè)界目前實現(xiàn)的方案是，在傳統(tǒng)的Sub-6G頻段，通信和感知都采用OFDM連續(xù)波；在毫米波頻段，通信繼續(xù)采用OFDM，而感知則采用雷達(dá)的波形。無論是Sub-6G還是毫米波，通信和感知都以時分的方式進行，并且通信的時隙占比遠(yuǎn)大于感知。

對于通感一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在無線側(cè)有主要兩種方式：單站感知和多站協(xié)同感知。所謂單站感知，也就是同一個基站需要同時發(fā)送感知信號并接收目標(biāo)的反射回波，單槍匹馬獨立自主就可以完成感知功能。本文前面的配圖，基本上都是單站感知的形式。所謂多站協(xié)同感知，是指多個基站之間進行充分的協(xié)作，基站1發(fā)出感知信號，經(jīng)過目標(biāo)反射之后，由基站2來接收并進行感知計算。

移動通信網(wǎng)絡(luò)中本來就存在多個基站，這種多站感知模式可以形成大面積、無縫覆蓋的分布式感知系統(tǒng)。要實現(xiàn)多站感知，需要各個基站之間保持嚴(yán)格的同步關(guān)系。在核心網(wǎng)側(cè)，還需要為感知功能增加一個基于服務(wù)化接口的網(wǎng)元，也就是SF（Sensing Function）。這個網(wǎng)元既可以和5G核心網(wǎng)融合部署，也可以獨立部署。

5GC融合架構(gòu)可支持基站側(cè)感知和終端側(cè)感知，并能很好地兼顧通信和感知，兼容性好。獨立部署可實現(xiàn)通信和感知的能力解耦，感知不依賴于5GC，并可以靈活地和已有感知設(shè)備對接，比較適合當(dāng)前階段部署。

4、通信感知一體化面臨的挑戰(zhàn)

目前，通信感知一體化已經(jīng)在3GPP R19立項研究（TR22.837）。這張宏大的畫卷，將要從構(gòu)思走向著墨。下面是通信感知一體化必須要解決的一些挑戰(zhàn)。?????

自干擾

要實現(xiàn)通信感知一體化，就需要在發(fā)射信號的同時，接受從探測目標(biāo)反射回來的回波信號。顯然，發(fā)送的信號和回波信號是同頻的，發(fā)射鏈路的信號強度一般情況下遠(yuǎn)大于接收鏈路，從而對接收鏈路造成強烈的同頻干擾。

這種系統(tǒng)內(nèi)自己對自己造成的干擾，就叫作“自干擾”。具體來說，“自干擾”根據(jù)來源的不同，有空間域的天線自干擾，還有射頻域自干擾和數(shù)字域自干擾。

通感一體化面臨的自干擾挑戰(zhàn)

天線間自干擾指發(fā)送端的天線信號直接泄露被接收天線接收。由于接收和發(fā)射天線的距離較近，干擾信號能量較大，給后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來很大問題。

射頻干擾指發(fā)端射頻鏈路泄露的信號到接收端射頻鏈路的現(xiàn)象。數(shù)字自干擾，指發(fā)送端進入的部分?jǐn)?shù)字域雜波信號泄露并疊加到接收端，形成干擾源。上述的天線間的自干擾信號、射頻自干擾信號、數(shù)字自干擾信號混雜在探測目標(biāo)產(chǎn)生的回波信號中，降低了接收信號質(zhì)量，導(dǎo)致有用信號的占比降低，增加了目標(biāo)感知和檢測的難度。?????

同步問題

單站感知由于收發(fā)端共用同一時鐘源，同步對感知影響不大。但對于多站感知，由于信號的發(fā)送和接收是由不同基站來進行的，如果基站間不同步，將對感知精度產(chǎn)生很大的影響。5G通信系統(tǒng)基站之間，微秒級的同步誤差可以滿足低時延、高可靠通信的基本需求。然而對于通感一體化，定位精度至少達(dá)到米級甚至分米級，收發(fā)基站之間1微秒同步誤差，就會導(dǎo)致300米的距離感知誤差。因此，要實現(xiàn)通感一體化，就必須采用軟硬件算法把基站之間同步誤差控制在納秒級甚至皮秒級。這是實現(xiàn)高精度感知的必要條件。?????

算力問題

為了獲取極致的感知體驗，通感系統(tǒng)對感知性能和感知實時性提出了高要求。比如，對于高速移動目標(biāo)如車輛的感知，為實時跟蹤車輛的位置，需要短時間內(nèi)快速處理感知數(shù)據(jù)并獲取感知結(jié)果并回傳給用戶。對于無人機入侵的感知，由于無人機由于表面積有限，其反射的信號能量很小，需要用高復(fù)雜度的算法解算精確位置。對于健康醫(yī)療來講，后臺需要同時處理海量用戶的健康檢測數(shù)據(jù)，完成呼吸、心跳等參數(shù)的解算。對于上述通感一體化的應(yīng)用場景，一方面，我們需要設(shè)計高精度的感知算法，高性能算法，意味著高復(fù)雜度，對于算力的要求也就更高。

另一方面，感知實時性對感知結(jié)果的處理和回傳提出極高的要求，需要系統(tǒng)提供更快的傳輸速率、采樣率、以及處理速率。當(dāng)前通信系統(tǒng)，無論網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還是硬件很難支撐如此大規(guī)模的算力。因此，我們需要將算力納入考慮，將通感一體化的概念擴展為“通感算一體化”。

5、尾聲

通感”一詞原本指的是一種勾連不同感官的修辭手法。比如，“看了蜉蝣君的文章，就像吃了人參果一樣，余音繞梁，三月不知肉味”這句話就聯(lián)通了視覺、味覺、聽覺、嗅覺等多種感官。將修辭手法中的“通感”用作“通信感知一體化”的簡稱雖有鳩占鵲巢之嫌，卻也點明了未來通信網(wǎng)絡(luò)一網(wǎng)多能的特色，更像是一種雙關(guān)的隱喻。通信感知一體化利用無線電波讓我們在通信的同時也開了感知的“天眼”，讓我們能夠“看見”更多，“了解”更多，“創(chuàng)造”更多。通感一體，未來可期。

參考文檔1. [IMT2030（6G）推進組]?通信感知一體化技術(shù)研究報告2. [郵電設(shè)計技術(shù)]?通信感知一體化——從概念到實踐3.?[中國通信學(xué)會]?通感算一體化網(wǎng)絡(luò)前沿報告
4.?[華為研究]?5G-A通感一體化的場景、挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)5. [3GPP TR22.837]?Feasibility Study on Integrated Sensing and Communication6.?[PRAANESH SAMBATH]?Radar Target?detection using Cell?Evaluation Method for?Industrial Safety