通信感知一體化關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

姜大潔，姚健，李健之，丁圣利，楊坤，袁雁南，陳保龍，秦飛

（維沃移動(dòng)通信有限公司，北京 100015）

0 引言

6G 將實(shí)現(xiàn)“自由連接的物理數(shù)字融合世界”的愿景[1]。6G 不僅需具備通信能力以實(shí)現(xiàn)物理與數(shù)字融合世界的自由連接，還需具備對(duì)物理世界的感知能力以構(gòu)建對(duì)應(yīng)的數(shù)字世界，并且具備計(jì)算能力以提供物理與數(shù)字融合世界所需的數(shù)據(jù)處理，最終實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的高效互動(dòng)與高度融合。無線通信和無線感知均基于電磁波理論，電磁波信號(hào)在人類活動(dòng)的高價(jià)值場景幾乎實(shí)現(xiàn)了無縫覆蓋。在發(fā)送端對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使得電磁波承載信源信息，而電磁波信號(hào)在傳播過程中會(huì)受到無線環(huán)境的影響，即電磁波信號(hào)受到環(huán)境調(diào)制因此也承載了環(huán)境信息。接收端通過對(duì)電磁波信號(hào)的分析，不僅能夠得到所承載的信源信息，還能夠提取出反映傳播環(huán)境特征的感知信息，也就是說，電磁波信號(hào)具有與生俱來的通信與感知雙重功能，這就使得通信感知一體化（簡稱通感一體化）成為可能。相比感知與通信分離的系統(tǒng)，通感一體化系統(tǒng)能夠帶來許多優(yōu)勢，例如節(jié)約成本、減小設(shè)備尺寸、降低功耗、提升頻譜效率、減小通信和感知之間的互干擾等。

隨著6G 系統(tǒng)的頻段向毫米波甚至太赫茲擴(kuò)展，其頻段具有大帶寬和高穿透能力的特點(diǎn)，同時(shí)將來更大規(guī)模天線和更密集網(wǎng)絡(luò)的部署，將共同推動(dòng)6G 提供更高感知精度與更高感知分辨率的感知服務(wù)。通感一體化將是6G的標(biāo)志特征之一。本文首先介紹了通感一體化的場景與性能指標(biāo)，然后介紹了通感一體化的關(guān)鍵技術(shù)，最后給出了通感一體化在性能評(píng)價(jià)指標(biāo)、信道建模與仿真方法、硬件非理想因素的影響、隱私與計(jì)費(fèi)等方面的挑戰(zhàn)。

1 通感一體化的背景

1.1 感知的分類

根據(jù)感知設(shè)備（指具有感知能力的設(shè)備，例如傳感器等）與感知目標(biāo)或感知對(duì)象是否分離，感知可以分為非接觸式感知和接觸式感知。接觸式感知需要在感知目標(biāo)上安裝溫度計(jì)/濕度計(jì)/氣壓計(jì)/陀螺儀/加速度計(jì)/重力傳感器等傳感器來采集特定感知信息；非接觸式感知需要光、聲或無線電波等作為感知傳導(dǎo)的媒介，因此可以分為光感知（通過可見光、紅外線等作為媒介進(jìn)行感知的普通攝像頭，如紅外攝像頭、激光雷達(dá)等）、聲感知（例如通過機(jī)械波、超聲波進(jìn)行感知的聲吶）和無線電波感知（例如毫米波雷達(dá)等）。圖1 總結(jié)了不同的感知類型：

圖1 感知的分類

另外一種分類方式是將感知分為非射頻感知和射頻感知，其中非射頻感知包括接觸式感知、光感知和聲感知。非射頻感知在某些方面存在一定局限性，例如基于可見光的普通攝像頭系統(tǒng)往往依賴于光線條件或視距條件，尤其在室外場景受天氣情況影響嚴(yán)重，且存在隱私安全問題等。其他特定傳感器需要安裝在感知目標(biāo)上，存在部署維護(hù)與設(shè)備供電的問題，在便利性和成本方面有一定局限性。射頻感知即無線電波感知。無線電波信號(hào)在傳播過程中受到周圍環(huán)境的影響，信號(hào)的幅度、相位等特征發(fā)生了變化，接收端通過對(duì)無線信號(hào)特征變化的分析，不僅能夠得到無線信號(hào)承載的發(fā)送端信息，還能夠提取出反映傳播環(huán)境特征的信息。射頻感知支持感知設(shè)備與感知目標(biāo)的分離，相比非射頻感知，其受天氣和光線條件影響較小，感知范圍相對(duì)更大，靈活性更高，在隱私與安全方面相比攝像頭更具優(yōu)勢。射頻感知與非射頻感知互為補(bǔ)充。6G 將綜合利用包括射頻感知在內(nèi)的不同類型的感知來采集各類數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界更便捷更高效更精確的數(shù)字化構(gòu)建。

1.2 通感一體化及融合級(jí)別

在過去，大部分場景下無線通信系統(tǒng)和感知系統(tǒng)被獨(dú)立研究。事實(shí)上，無線通信和射頻感知不論工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)還是頻段，均存在著不少相似之處。首先，通信系統(tǒng)與感知系統(tǒng)均基于電磁波理論，利用電磁波的發(fā)射和接收來完成信息的傳遞和獲??；其次，通信系統(tǒng)與感知系統(tǒng)均具備天線、發(fā)送端、接收端、信號(hào)處理器等硬件，在硬件資源上有很大重疊；再次，隨著技術(shù)的發(fā)展，兩者在工作頻段上也有越來越多的重合；另外，二者在信號(hào)調(diào)制與接收檢測、波形設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)上存在相似性。面向通信感知兩種功能的一體化設(shè)計(jì)已逐漸成為趨勢。

通感一體化系統(tǒng)是指在同一系統(tǒng)中通過頻譜共享、硬件共享、信號(hào)共享等方式，在進(jìn)行信息傳遞的同時(shí)，能夠通過無線信號(hào)的發(fā)射和接收，感知目標(biāo)物體的方位、距離、速度等信息，或者對(duì)目標(biāo)物體、事件或環(huán)境等進(jìn)行檢測、跟蹤、識(shí)別、成像等。此時(shí)的無線信號(hào)既是通信信號(hào)，又是感知信號(hào)。通感一體化系統(tǒng)相比通信和感知分離的系統(tǒng)，能獲得融合增益與協(xié)作增益[2]。從通信和感知的交互及相互影響的角度分析，通感一體化包括如下不同程度的融合級(jí)別[3]：

（1）共存：通信系統(tǒng)和感知系統(tǒng)共享空時(shí)頻資源，但不進(jìn)行信息共享與互干擾消除，不考慮物理集成設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在達(dá)不到完美隔離的情況下，兩系統(tǒng)相互之間會(huì)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致各自的性能下降。

（2）合作：通信系統(tǒng)和感知系統(tǒng)通過共享部分信息，達(dá)到減小彼此之間干擾的目的，進(jìn)一步地，利用彼此的信息交互實(shí)現(xiàn)更加豐富的功能或者增強(qiáng)系統(tǒng)本身的通信性能或感知性能。

（3）聯(lián)合設(shè)計(jì)和優(yōu)化：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將通信和感知聯(lián)合考慮，從硬件架構(gòu)、波形設(shè)計(jì)、協(xié)議設(shè)計(jì)、接收信號(hào)處理等各個(gè)角度實(shí)現(xiàn)通信和感知功能的深度融合，提升頻譜使用效率，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。

2 通感一體化的場景與性能指標(biāo)

2.1 感知的對(duì)外服務(wù)和對(duì)內(nèi)服務(wù)

感知的服務(wù)對(duì)象可以是6G 系統(tǒng)自身，也可以是6G系統(tǒng)以外的其他對(duì)象。以服務(wù)對(duì)象的范疇來區(qū)分，感知可以分為對(duì)外服務(wù)（服務(wù)對(duì)象是6G 系統(tǒng)以外的其他對(duì)象，即network for sensing）和對(duì)內(nèi)服務(wù)（服務(wù)對(duì)象是6G 系統(tǒng)本身，即sensing for network）兩種。

關(guān)于感知的對(duì)外服務(wù)，按照感知的覆蓋范圍，可以將典型的感知用例和應(yīng)用場景進(jìn)行分類，具體用例如表1 所示。

表1 典型感知功能與應(yīng)用場景

為支持表1 中的各種感知用例，感知信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)的每個(gè)天線接收感知信號(hào)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的一個(gè)或多個(gè)感知信號(hào)，根據(jù)接受到的感知信號(hào)得到信道響應(yīng)；然后根據(jù)接收信號(hào)或信道響應(yīng)得到基本測量量，其中基本測量量包括時(shí)延、多普勒、角度、強(qiáng)度，及其多維組合表示。感知信號(hào)的接收節(jié)點(diǎn)或者感知信息處理節(jié)點(diǎn)根據(jù)基本測量量確定感知目標(biāo)的基本屬性/狀態(tài)，具體包括距離、速度、朝向、空間位置、加速度等；感知信號(hào)的接收節(jié)點(diǎn)或者感知信息處理節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步得到感知目標(biāo)的進(jìn)階屬性/狀態(tài)，具體包括目標(biāo)是否存在、軌跡、動(dòng)作、表情、生命體征、數(shù)量、成像結(jié)果、天氣、空氣質(zhì)量、形狀、材質(zhì)、成分等。通過對(duì)接收到的感知信號(hào)進(jìn)行不同程度的計(jì)算或處理可以獲得不同層次的感知信息（如表2 所示），進(jìn)而得到目標(biāo)感知用例所需的感知結(jié)果。值得注意的是，感知信息處理節(jié)點(diǎn)可以是終端、基站、核心網(wǎng)網(wǎng)元、或者外部應(yīng)用服務(wù)器等。

表2 不同層次的感知信息

感知的對(duì)內(nèi)服務(wù)即sensing for network，其中包括感知輔助通信，其主要目的是通過對(duì)周圍環(huán)境的感知來提升通信系統(tǒng)的性能。感知的對(duì)內(nèi)服務(wù)的一些用例包括基于終端定位的波束訓(xùn)練、基于非視距檢測的信道估計(jì)、基于環(huán)境重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方面。對(duì)于毫米波通信系統(tǒng)，在碼本集合很大的情況下，波束訓(xùn)練過程比較耗時(shí)，通過感知來獲取終端位置，能夠減小波束訓(xùn)練的開銷，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)場景下快速波束賦形與跟蹤。進(jìn)一步地，對(duì)通信目標(biāo)進(jìn)行定位和跟蹤，并對(duì)信道環(huán)境中潛在的障礙物進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而進(jìn)行針對(duì)性的波束切換可以避免因障礙物阻擋導(dǎo)致的通信鏈路故障。此外，對(duì)周圍環(huán)境不同目標(biāo)的感知有助于區(qū)分視距和非視距信道，彌補(bǔ)基于信道特征進(jìn)行分析時(shí)誤識(shí)別率高的問題，并且感知獲取的信道參數(shù)還可以用于提升通信信道估計(jì)的準(zhǔn)確性。

2.2 感知的性能指標(biāo)

無線感知的性能指標(biāo)主要包括感知精度、感知分辨率、感知范圍、感知時(shí)延、感知更新頻率等。各個(gè)性能指標(biāo)的含義參考表3。其中，感知精度與硬件設(shè)備性能以及具體資源配置、感知信干噪比等有關(guān)；感知分辨率與用于感知的硬件能力以及資源配置有關(guān)，例如距離分辨率與感知信號(hào)的帶寬有關(guān)，角度分辨率與天線孔徑有關(guān)，速度分辨率與感知信號(hào)的時(shí)域?qū)挾扔嘘P(guān)。不同感知用例或應(yīng)用場景對(duì)應(yīng)的感知性能指標(biāo)的具體含義有所不同，例如，道路車輛監(jiān)控場景對(duì)應(yīng)的感知精度主要指距離精度、速度精度和角度精度，感知分辨率主要是距離分辨率、速度分辨率和角度分辨率，感知范圍則是距離范圍、速度范圍和角度范圍。而呼吸監(jiān)測的感知用例對(duì)應(yīng)的感知精度為呼吸頻率的精度，感知分辨率則為呼吸頻率分辨率。

表3 感知性能指標(biāo)及其含義

此外，從系統(tǒng)效率的角度，感知資源開銷、感知功耗等也是需要考慮的指標(biāo)。

3 通感一體化的感知流程與關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)通感一體化的研究，首先需要梳理通感一體化的幾種基本感知方式和感知業(yè)務(wù)流程，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)通感一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。關(guān)鍵技術(shù)具體包括通感一體化波形設(shè)計(jì)、通感硬件器件共享方案與架構(gòu)設(shè)計(jì)、通信解調(diào)算法與感知算法聯(lián)合設(shè)計(jì)、信號(hào)聯(lián)合檢測與干擾消除、MIMO-通感一體化技術(shù)、通感一體化與backscatter 和RIS 技術(shù)的結(jié)合、通感一體化的移動(dòng)性管理及通感一體化的鏈路自適應(yīng)技術(shù)等。下面對(duì)感知方式與感知流程，以及上述關(guān)鍵技術(shù)中的部分技術(shù)展開討論。

3.1 感知方式與感知流程

根據(jù)感知信號(hào)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的不同，分為6種基本感知方式，如圖2 所示，具體包括：

（1）基站回波感知，在這種感知方式下，基站A 發(fā)送感知信號(hào)，并通過接收該感知信號(hào)的回波來進(jìn)行感知測量。

（2）基站間空口感知，此時(shí)，基站B 接收基站A 發(fā)送的感知信號(hào)，進(jìn)行感知測量。

（3）上行空口感知，此時(shí)，基站A 接收終端A 發(fā)送的感知信號(hào)，進(jìn)行感知測量。

（4）下行空口感知，此時(shí)，終端B 接收基站B 發(fā)送的感知信號(hào)，進(jìn)行感知測量。

（5）終端回波感知，此時(shí)，終端A 發(fā)送感知信號(hào)，并通過接收該感知信號(hào)的回波來進(jìn)行感知測量。

（6）終端間旁鏈路（Sidelink）感知，此時(shí)，終端B 接收終端A 發(fā)送的感知信號(hào)，進(jìn)行感知測量。

值得注意的是，圖2 中每種感知方式都以一個(gè)感知信號(hào)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和一個(gè)感知信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)作為例子，實(shí)際系統(tǒng)中，根據(jù)不同的感知用例和感知需求可以選擇一種或多種不同的感知方式，且每種感知方式的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)可以有一個(gè)或多個(gè)。圖2 中的感知目標(biāo)以人和車作為例子，且假設(shè)人和車均沒有攜帶或安裝信號(hào)收/ 發(fā)設(shè)備，實(shí)際場景的感知目標(biāo)將更加豐富。

圖2 通感一體化的6種基本感知方式

考慮到6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與功能尚不明確，圖3 給出了基于5G 核心網(wǎng)的感知流程。該流程中，為支持感知服務(wù)，5G 核心網(wǎng)新增了感知網(wǎng)絡(luò)功能。感知業(yè)務(wù)流程的具體步驟如下：

圖3 感知流程的示例

1.AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動(dòng)性管理功能）收到感知服務(wù)請(qǐng)求，包括感知目標(biāo)區(qū)域標(biāo)識(shí)/感知目標(biāo)用戶標(biāo)識(shí)、感知服務(wù)QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）需求。感知服務(wù)請(qǐng)求可以來自AF（Application Function，應(yīng)用功能），經(jīng)NEF（Network Exposure Function，網(wǎng)絡(luò)開放功能）轉(zhuǎn)發(fā)給AMF（即1a），或者來自終端設(shè)備UE（1b）。

2-3.AMF 基于感知服務(wù)QoS 需求、感知網(wǎng)絡(luò)功能的能力、感知網(wǎng)絡(luò)功能的負(fù)荷等選擇合適的感知網(wǎng)絡(luò)功能，并轉(zhuǎn)發(fā)感知服務(wù)請(qǐng)求。

4.感知網(wǎng)絡(luò)功能根據(jù)感知服務(wù)請(qǐng)求和RAN node 和/或UE 的感知能力，選擇合適的感知方式以及對(duì)應(yīng)的RANNode（例如gNB）和/或UE。

5.感知網(wǎng)絡(luò)功能與RAN-Node 和/ 或UE 進(jìn)行感知流程交互，獲取感知結(jié)果。例如，選擇UE 發(fā)感知信號(hào)基站收感知信號(hào)的感知方式，基站將感知信息發(fā)送給感知網(wǎng)絡(luò)功能，感知網(wǎng)絡(luò)功能根據(jù)感知信息計(jì)算得到感知結(jié)果。

6-7.感知網(wǎng)絡(luò)功能給AMF 發(fā)送感知服務(wù)響應(yīng)（包括感知結(jié)果），AMF 將響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)至感知服務(wù)請(qǐng)求方。

3.2 波形設(shè)計(jì)

波形設(shè)計(jì)是通感一體化技術(shù)研究的重點(diǎn)，其設(shè)計(jì)思路可以是重用已有通信波形或感知波形，采取時(shí)分、頻分、空分的方式實(shí)現(xiàn)通信和感知波形的分集發(fā)送，這種方式資源利用效率較低；也可以通過對(duì)已有波形的改造或新波形設(shè)計(jì)將通信和感知功能集成到一種波形，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。下面對(duì)幾種常見的可用于通感一體化設(shè)計(jì)的波形進(jìn)行分析：

（1）單載波波形。通常與擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合用于通感一體化設(shè)計(jì)，例如基于直接序列擴(kuò)頻（DSSS）、時(shí)跳擴(kuò)頻（THSS）、啁啾擴(kuò)頻（CSS）的單載波通感一體化波形；擴(kuò)頻技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中以獲得更高的安全性和魯棒性，為保證感知性能，需要采用自相關(guān)與互相關(guān)特性良好的擴(kuò)頻序列以及擴(kuò)頻因子以適應(yīng)不同的感知精度及動(dòng)態(tài)范圍。此外，也可以利用單載波通信系統(tǒng)中的導(dǎo)頻等訓(xùn)練序列進(jìn)行感知，例如對(duì)于采用SC-FDE（Single Carrier Frequency Domain Equalization，單 載波頻域均衡）波形的IEEE 802.11ad 系統(tǒng)，其無線幀中的短訓(xùn)練字段（STF,Short Training Field）與信道估計(jì)字段（CEF,Channel Estimation Field）由互補(bǔ)格雷序列組成，用于通信系統(tǒng)幀同步、頻偏估計(jì)、信道估計(jì)，同時(shí)可用于雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)檢測以及測距、測速功能[4]。

（2）多載波波形。OFDM 波形廣泛應(yīng)用于4G/5G移動(dòng)通信系統(tǒng)，具有較高的頻譜效率，可以進(jìn)行靈活帶寬資源分配。OFDM 波形也被引入到雷達(dá)系統(tǒng)，進(jìn)行參數(shù)估計(jì)時(shí)不存在距離-多普勒耦合效應(yīng)，此外接收端基于傅里葉變換的檢測算法簡單高效，并且基于OFDM 波形的雷達(dá)和通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)制高度相似，便于實(shí)現(xiàn)通感一體化設(shè)計(jì)。OFDM 波形同樣存在峰值平均功率比高、對(duì)多普勒和相位噪聲敏感等問題，需要針對(duì)性地優(yōu)化。例如，采用恒包絡(luò)OFDM（CE-OFDM,Constant Envelope-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）設(shè)計(jì)以改善傳統(tǒng) OFDM 峰值平均功率比高導(dǎo)致的高功率放大器出現(xiàn)非線性失真的問題[5]。另外，有文獻(xiàn)考慮利用FBMC（Filter-Bank Multicarrier，濾波器組多載波）作為通信感知融合波形[6]。OTFS（Orthogonal Time Frequency Space，正交時(shí)頻空）作為潛在的6G 波形，已有研究表明其在雷達(dá)估計(jì)特性方面性能與OFDM 波形相當(dāng)，并且由于其循環(huán)前綴開銷較OFDM 小，因此以更高的復(fù)雜性為代價(jià)獲得更高的頻譜效率[7]。

（3）雷達(dá)常用波形。例如簡單脈沖波形或FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave，調(diào)頻連續(xù)波）波形。簡單脈沖波形雷達(dá)在每個(gè)脈沖周期內(nèi)由占空比決定的時(shí)間范圍里發(fā)射簡單脈沖信號(hào)，并在脈沖周期的剩余時(shí)間上接收回波信號(hào)，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理以進(jìn)行感知。該波形不要求系統(tǒng)具備全雙工能力，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，但存在近距離盲區(qū)的問題，并且由于其信號(hào)在時(shí)間上的不連續(xù)性，資源利用效率低。簡單脈沖波形通常用于遠(yuǎn)距離的感知應(yīng)用，例如軍事上對(duì)于飛行物入侵的監(jiān)測。FMCW 雷達(dá)通過發(fā)射頻率線性變化的chirp信號(hào)并對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行感知，具有大時(shí)寬-帶寬積、恒包絡(luò)、自相關(guān)特性好、收發(fā)機(jī)架構(gòu)和信號(hào)處理流程簡單等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)一步地，可以通過將通信調(diào)制數(shù)據(jù)加載到FMCW 波形使其攜帶通信信息實(shí)現(xiàn)通感一體化，但是該波形要求雷達(dá)系統(tǒng)具有全雙工能力，對(duì)于收發(fā)信號(hào)隔離的要求較高，適合于發(fā)射信號(hào)功率較小的近距離感知，例如汽車?yán)走_(dá)。此外，超寬帶（UWB,Ultra-Wide Band）波形是指絕對(duì)帶寬大于500 MHz 或相對(duì)帶寬大于0.2 的信號(hào)波形，通常為納秒級(jí)或亞納秒級(jí)的極窄脈沖波形，通過測量極窄脈沖的飛行時(shí)間獲得目標(biāo)的距離信息。該波形系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)簡單、成本和功耗低，通常適用于近距離探測，例如生命體征檢測和手勢識(shí)別等應(yīng)用。

3.3 MIMO-通感一體化技術(shù)

感知的一個(gè)典型用例是對(duì)感知目標(biāo)進(jìn)行方位角測量和定位，這自然與雷達(dá)聯(lián)系緊密。業(yè)界先后出現(xiàn)了相控陣?yán)走_(dá)和MIMO 雷達(dá)。相控陣?yán)走_(dá)使用整個(gè)天線陣列進(jìn)行波束賦形，能夠形成高增益、高指向性的窄波束，利于提高感知信號(hào)的接收功率。然而，相控陣?yán)走_(dá)的波束寬度決定了角度分辨率，感知區(qū)域較大時(shí)需要進(jìn)行波束掃描，多目標(biāo)彼此距離小于波束寬度則無法區(qū)分，且同時(shí)最大可探測目標(biāo)數(shù)量受限。MIMO 雷達(dá)的特征是各個(gè)天線分別發(fā)射相互正交的信號(hào)（可通過時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用、多普勒頻分復(fù)用、碼分復(fù)用以及上述組合方式）。MIMO 雷達(dá)利用波形分集以及虛擬陣列（Virtual Array）特性，能夠獲得相對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)更高的探測/ 估計(jì)分辨率、更高的最大可識(shí)別目標(biāo)數(shù)以及更好的雜波抑制能力。MIMO 雷達(dá)根據(jù)天線部署位置的不同，又可以分為集中式MIMO 雷達(dá)和分布式MIMO 雷達(dá)。相對(duì)于集中式MIMO 雷達(dá)，分布式MIMO 雷達(dá)可以更好地利用目標(biāo)的雷達(dá)散射截面分集（RCS diversity,Radar Cross Section diversity），提高目標(biāo)檢測性能[8]。但分布式MIMO 雷達(dá)面臨天線間精確同步的挑戰(zhàn)。此外，Phased-MIMO 雷達(dá)[9]、Beamspace-MIMO 雷達(dá)[10]等新型雷達(dá)體制，兼顧相控陣?yán)走_(dá)和MIMO 雷達(dá)的優(yōu)勢。

未來的MIMO 通感一體化系統(tǒng)將同時(shí)具備MIMO 通信以及MIMO 雷達(dá)功能，在此稱之為MIMO-ISAC 系統(tǒng)。MIMO-ISAC 系統(tǒng)利用了MIMO 雷達(dá)中的虛擬陣列的概念來提升感知精度?？紤]MIMO 雷達(dá)發(fā)射陣列天線總數(shù)為M，各發(fā)射天線位置坐標(biāo)為xT,m,m=0,1,…,M?1，接收陣列天線總數(shù)為N，各接收天線坐標(biāo)為xR,n,n=0,1,…,N?1。假設(shè)各發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)正交，則：

其中，φm(t)、φk(t)分別表示第m和第k個(gè)發(fā)射天線的發(fā)射信號(hào)，δmk表示狄拉克函數(shù)。此時(shí)接收機(jī)每個(gè)接收天線使用M個(gè)匹配濾波器分離發(fā)射信號(hào)，因此接收機(jī)總共得到NM個(gè)接收信號(hào)。考慮1 個(gè)遠(yuǎn)場點(diǎn)目標(biāo)，則第n個(gè)接收天線的第m個(gè)匹配濾波器得到的目標(biāo)響應(yīng)可以表示為：

其中，ut為1 個(gè)從雷達(dá)發(fā)射機(jī)指向點(diǎn)目標(biāo)的單位向量，α(t)為點(diǎn)目標(biāo)的反射系數(shù)，λ為發(fā)射信號(hào)載波波長?？梢钥吹剑瓷湫盘?hào)的相位由發(fā)射天線和接收天線共同確定。等效地，等式(2)的目標(biāo)響應(yīng)與1 個(gè)天線數(shù)為NM的陣列得到的目標(biāo)響應(yīng)完全相同，該等效陣列稱為虛擬陣列，其天線位置坐標(biāo)為：

圖4 給出一個(gè)M=3 和N=4 的MIMO 雷達(dá)配置以及對(duì)應(yīng)的虛擬陣列示意圖。MIMO 雷達(dá)實(shí)際部署時(shí)，通過合理設(shè)置發(fā)射天線陣元、接收天線陣元的位置，僅僅通過N+M個(gè)物理天線，就能構(gòu)造出包含NM個(gè)互不重疊的虛擬天線的陣列。由于虛擬陣列往往能夠形成更大的陣列孔徑，因此能夠獲得更好的角度分辨率。

圖4 MIMO雷達(dá)天線配置及對(duì)應(yīng)的虛擬陣列示意圖

隨著毫米波以及大規(guī)模MIMO 技術(shù)的發(fā)展，基于數(shù)?；旌喜ㄊx型架構(gòu)的大規(guī)模MIMO 成為發(fā)展趨勢，已經(jīng)廣泛用于毫米波5G 通信網(wǎng)絡(luò)。目前，學(xué)界針對(duì)混合架構(gòu)大規(guī)模MIMO 的通感一體化研究尚處在探索階段。面向通感一體化的大規(guī)模MIMO 硬件架構(gòu)與天線陣列設(shè)計(jì)、面向通感一體化的預(yù)編碼/波束賦形方案設(shè)計(jì)等都是有價(jià)值的研究方向。

3.4 通感一體化與backscatter技術(shù)的結(jié)合

根據(jù)感知目標(biāo)上是否安裝有信號(hào)收/ 發(fā)設(shè)備，無線感知的感知目標(biāo)可以分為無源目標(biāo)或有源目標(biāo)。實(shí)際上，為了增強(qiáng)對(duì)無源目標(biāo)的感知性能，無源目標(biāo)上可以安裝低成本低功耗微小體積的標(biāo)簽設(shè)備，例如RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）無源標(biāo)簽（Tag）或者backscatter（反向散射）標(biāo)簽。目前學(xué)術(shù)界已有許多基于RFID/backscatter 的無線感知研究。例如，路邊單元通過接收安裝在車上的反向散射標(biāo)簽的反射信號(hào)，在實(shí)現(xiàn)高精度的車輛定位[11]、測速、軌跡追蹤的同時(shí)，還能夠準(zhǔn)確區(qū)分道路上的不同車輛。通過在醫(yī)院輸液室的每個(gè)點(diǎn)滴的滴斗上貼上不同的標(biāo)簽，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)病人的輸液速度以及輸液是否停止的實(shí)時(shí)監(jiān)測[12]。利用在感知目標(biāo)周圍部署多個(gè)標(biāo)簽，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)朝向識(shí)別[13]、目標(biāo)材料識(shí)別以及二維截面成像[14]等。

標(biāo)簽可以安裝在感知目標(biāo)上或者部署在感知目標(biāo)附近，接收端可以對(duì)標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)行檢測從而完成感知。基于標(biāo)簽的感知具備以下優(yōu)勢：

（1）為不同的感知目標(biāo)分別安裝不同的標(biāo)簽，可以根據(jù)不同標(biāo)簽的反射信號(hào)特征的不同來分辨不同的感知目標(biāo)。

（2）標(biāo)簽對(duì)信號(hào)的反射特性（通過backscatter 方式）相比感知目標(biāo)本身對(duì)信號(hào)的反射特性要更穩(wěn)定，標(biāo)簽的反射信號(hào)強(qiáng)度更高，覆蓋性能和抗干擾能力更強(qiáng)，可提高感知性能。

（3）標(biāo)簽成本低、功耗低、體積小，在感知目標(biāo)附近部署多個(gè)標(biāo)簽，對(duì)多個(gè)不同位置的標(biāo)簽的信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合感知處理，可以增大感知范圍，提高感知性能。

3.5 通感一體化與RIS技術(shù)的結(jié)合

未來的通信系統(tǒng)希望利用部署在環(huán)境中的RIS（Reconfigurable Intelligent Surface，智能超表面）設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)無線信道的定制化?；赗IS 的無線信道定制化既可以提高通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能和吞吐量，也可以增強(qiáng)無線系統(tǒng)的感知性能（即RIS 輔助感知）。在多徑環(huán)境中，感知信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)需要從接收到的多徑信號(hào)中提取經(jīng)過感知目標(biāo)反射的有用徑的信號(hào)。基于RIS 的定制化無線信道可以通過波束賦形技術(shù)提升感知節(jié)點(diǎn)—RIS—感知目標(biāo)的傳播路徑的信號(hào)能量，增大感知目標(biāo)的識(shí)別機(jī)會(huì)和感知準(zhǔn)確率；或者，可以通過波束抑制方式降低與感知目標(biāo)不相關(guān)的多徑的信號(hào)強(qiáng)度，從而減小不相關(guān)的多徑信號(hào)對(duì)感知性能的影響。此外，RIS 設(shè)備還可以與感知節(jié)點(diǎn)協(xié)作實(shí)現(xiàn)感知業(yè)務(wù)。例如，在有源的感知目標(biāo)來接收感知信號(hào)，以及已知感知信號(hào)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的位置和RIS 位置的前提下，可以根據(jù)感知信號(hào)發(fā)送節(jié)點(diǎn)—RIS—有源感知目標(biāo)的信道信息（例如到達(dá)角）以及感知信號(hào)發(fā)送節(jié)點(diǎn)—有源感知目標(biāo)的信道信息（例如到達(dá)角）來獲得有源感知目標(biāo)的位置信息。

RIS 輔助感知在部署中面臨一些挑戰(zhàn)。首先，面向感知的RIS 波束賦形是使能RIS 輔助感知的核心問題。在未知感知目標(biāo)信息的前提下如何確定RIS 的轉(zhuǎn)發(fā)波束？對(duì)于有源感知目標(biāo)，感知目標(biāo)可以通過基于RIS 的模擬波束訓(xùn)練來確定最優(yōu)的RIS 轉(zhuǎn)發(fā)波束[15]。對(duì)于無源感知目標(biāo)，感知網(wǎng)絡(luò)可以考慮利用機(jī)器學(xué)習(xí)獲取不同RIS 轉(zhuǎn)發(fā)波束與感知目標(biāo)對(duì)無線信道變化的相關(guān)性來推測感知目標(biāo)的信息[16]。此外，大規(guī)模部署的RIS 會(huì)引入基于近場假設(shè)的感知場景。傳統(tǒng)感知算法通常基于遠(yuǎn)場假設(shè)將接收信號(hào)近似為平面波進(jìn)行信號(hào)處理，傳統(tǒng)的信道建模和信號(hào)處理算法需要進(jìn)行修正來適配基于近場假設(shè)的RIS 輔助感知。

4 通感一體化面臨的挑戰(zhàn)

4.1 通感一體化性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

傳統(tǒng)通信系統(tǒng)通常以提高吞吐量和傳輸可靠性為優(yōu)化目標(biāo)，關(guān)注的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括頻譜效率、信道容量、信噪比和誤碼率等。而通感一體化系統(tǒng)則需要考慮通感聯(lián)合的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。在不同的感知應(yīng)用場景下，通感一體化的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)要求可能存在不同。

以單一的感知系統(tǒng)為例，雷達(dá)波形設(shè)計(jì)中常用模糊函數(shù)衡量波形性能優(yōu)劣，其定義為信號(hào)時(shí)間頻率復(fù)合自相關(guān)函數(shù)?；蚰５钠椒絒17]，可表征發(fā)射波形采用最優(yōu)信號(hào)處理?xiàng)l件下的分辨力、測速測距精度以及雜波抑制能力等性能，是研究雷達(dá)信號(hào)的主要數(shù)學(xué)工具。理想的模糊函數(shù)呈圖釘狀，具有單一中心峰值，而在峰值之外的延時(shí)多普勒平面上其他能量均勻分布。參數(shù)估計(jì)領(lǐng)域使用克拉美羅下界（CRLB,Cramer-Rao Lower Bound）表示無偏估計(jì)量的方差的下限，反映了無偏估計(jì)中能夠獲得的最佳估計(jì)精度。均方誤差（MSE）也常被用來衡量參數(shù)估計(jì)性能，其定義為參數(shù)的真實(shí)值與其估計(jì)值之間誤差的平方的均值。此外，通感一體化的研究引入雷達(dá)估計(jì)速率，用來衡量感知頻譜效率[3]，作為與通信數(shù)據(jù)速率相對(duì)應(yīng)的感知指標(biāo)。

考慮到通信與感知的融合設(shè)計(jì)，為量化通信速率與感知精度之間的權(quán)衡問題，有研究將等效均方誤差作為通信感知統(tǒng)一的性能衡量指標(biāo)，或者將基于速率失真理論的容量失真函數(shù)的概念引入到通感一體化系統(tǒng)，以及通過最大化通信和感知的互信息加權(quán)和為準(zhǔn)則進(jìn)行波形設(shè)計(jì)[18-20]。通信與感知系統(tǒng)關(guān)注的性能指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)不同，不同感知業(yè)務(wù)之間的性能衡量方式也可能存在差別，能否找到衡量通感一體化性能的統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于指導(dǎo)一體化波形設(shè)計(jì)和通感系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。

4.2 信道建模與仿真方法

通感一體化關(guān)鍵技術(shù)與關(guān)鍵算法的研究與評(píng)估，離不開能夠真實(shí)反映實(shí)際系統(tǒng)所經(jīng)歷無線傳播環(huán)境的信道模型的支撐。面向通信的信道模型主要包括隨機(jī)性模型（Stochastic Model）、確定性模型（Deterministic Model）以及半確定性模型（Quasi-deterministic Model）[21]。其中，隨機(jī)性模型兼顧了復(fù)雜度和可信度，其信道特征由一組關(guān)鍵信道參數(shù)控制，不同參數(shù)取值對(duì)應(yīng)不同場景，配置靈活。目前，3GPP 技術(shù)報(bào)告TR 38.901 中的信道模型就屬于隨機(jī)性模型，廣泛應(yīng)用于5G 的技術(shù)評(píng)估和標(biāo)準(zhǔn)化。

但是，面向通信的隨機(jī)性模型無法直接用于通感一體化場景的信道建模。首先，面向通信的信道模型不區(qū)分感知目標(biāo)和非感知目標(biāo)。對(duì)通信來講，無線信道環(huán)境中的反射體導(dǎo)致的反射信號(hào)為多徑/多徑簇（Cluster），對(duì)于MIMO 系統(tǒng)的空分復(fù)用以及空間分集是有利因素，不需要區(qū)分是感知目標(biāo)還是非感知目標(biāo)導(dǎo)致的多徑/多徑簇；而傳統(tǒng)的雷達(dá)信道一般是稀疏信道，多徑數(shù)量少甚至不考慮多徑，除感知目標(biāo)外的環(huán)境中的其他反射體/散射體導(dǎo)致的反射信號(hào)被稱為雜波（Clutter），對(duì)感知是有害因素。因此，面向通感一體化場景中，需要在一定程度上分別建模感知目標(biāo)和雜波的多徑/多徑簇。其次，面向通信的信道模型不支持自發(fā)自收的信道建模，不同的感知方式下信道模型需要考慮的情況也有所不同。在自發(fā)自收的感知方式下，感知目標(biāo)的反射、散射特征需要在信道模型中考慮，且回波信號(hào)所經(jīng)歷的信道相比通信信道具有兩倍的路徑損耗以及額外的反射損耗（與感知物體RCS 有關(guān)）。

目前，通感一體化場景下是否具有一些新的電波傳播機(jī)制，針對(duì)不同感知用例的信道模型采用隨機(jī)性模型、確定性模型或半確定性模型，是否存在更準(zhǔn)確更高效的信道建模方法等，都是亟需研究的問題。

面向通信的仿真主要包括系統(tǒng)級(jí)仿真和鏈路級(jí)仿真。系統(tǒng)級(jí)仿真能夠建模多UE 在多小區(qū)環(huán)境中的隨機(jī)位置，以及不同UE 的鏈路損耗和小區(qū)間干擾，從而得到每個(gè)UE 的post-SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信干噪比），然后根據(jù)L2S（Link to System，鏈路到系統(tǒng)）接口映射得到BLER（Block Error Ratio，誤塊率），最終計(jì)算得到每個(gè)UE 的上行或下行吞吐量。系統(tǒng)級(jí)仿真不涉及復(fù)雜的信號(hào)處理過程，復(fù)雜的信號(hào)處理過程體現(xiàn)在通過鏈路級(jí)仿真提供的L2S 接口數(shù)據(jù)中。鏈路級(jí)主要面向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單鏈路的性能評(píng)估，建模不同的信號(hào)處理模塊和對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理過程。

面向通感一體化的仿真評(píng)估，存在以下兩種潛在的仿真方法。

（1）不基于感知L2S 的方法。第一步，選擇待評(píng)估的具體感知用例和場景，確定該場景下的信號(hào)發(fā)送端、信號(hào)接收端、感知目標(biāo)以及非感知目標(biāo)的位置/ 特征；第二步，建模信號(hào)發(fā)送端到接收端之間的信道，包括可能的LOS 徑/ 簇，經(jīng)過感知目標(biāo)反射的徑/ 簇，以及非感知目標(biāo)反射的徑/ 簇；第三步，針對(duì)評(píng)估的具體感知用例，建模對(duì)應(yīng)的接收端接收信號(hào)的感知處理過程，從而得到感知用例的感知性能指標(biāo)。

（2）基于感知L2S 的方法。方法二的前兩個(gè)步驟與方法一的前兩步相同。方法二的第三步是根據(jù)接收端接收的信號(hào)來計(jì)算感知SINR 或者其他指標(biāo)（取決于待評(píng)估的具體感知用例）。第四步，根據(jù)感知SINR 或者其他指標(biāo)以及感知L2S 接口，得到感知用例的感知性能指標(biāo)。感知L2S 接口數(shù)據(jù)需要通過大量鏈路仿真得到，一種感知L2S 接口數(shù)據(jù)可表征感知SINR 取值與某種感知用例的感知性能指標(biāo)大小之間的關(guān)系。

方法一的優(yōu)勢在于可以更精確地得到感知性能指標(biāo)，缺點(diǎn)是對(duì)于某些感知處理復(fù)雜度較高的感知業(yè)務(wù)，其感知信號(hào)處理的計(jì)算量可能較大，仿真時(shí)間可能較長；方法二的優(yōu)勢在于其仿真計(jì)算量和仿真時(shí)長優(yōu)于方法一，其缺點(diǎn)是目前缺少可靠性高且復(fù)雜度可以接受的感知L2S接口模型。感知性能指標(biāo)不僅取決于感知SINR，還取決于感知目標(biāo)的位置以及非感知目標(biāo)（雜波）的特征等，可能導(dǎo)致感知L2S 接口模型過于復(fù)雜。未來需要綜合考慮上述兩種的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，制定面向通感一體化的仿真方法，以適配不同感知用例的感知研究需求。

4.3 硬件非理想因素的影響

在通感一體化中，獲取精確的感知測量信息尤為重要，而硬件的非理想因素會(huì)顯著影響感知測量精度。通過檢測感知信號(hào)來提取準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息（CSI，Channel State Information），是滿足感知性能指標(biāo)的關(guān)鍵，而一些非理想因素導(dǎo)致的CSI 測量誤差，會(huì)顯著影響感知的精度。影響感知性能的硬件非理想因素主要包括：

（1）信號(hào)接收功率的不確定性。由于低噪聲放大器（LNA,Low Noise Amplifier）、可編程增益放大器（PGA,Programmable Gain Amplifier）等器件的非理想導(dǎo)致實(shí)際的增益調(diào)整與預(yù)期不符，進(jìn)而使得測量得到的CSI 幅度不準(zhǔn)確。

（2）IQ 路不平衡。I、Q 支路器件性能的局限性使得本振信號(hào)相位不能保證嚴(yán)格相差90°、兩路信號(hào)增益存在差異以及存在直流偏置等，進(jìn)而導(dǎo)致基帶信號(hào)的正交性被破壞，造成CSI 惡化。

（3）時(shí)頻同步偏差。收發(fā)端時(shí)鐘偏差、非理想同步等因素帶來載波頻率偏移（Carrier Frequency Offset）、取樣頻率偏移（Sampling Frequency Offset）、符號(hào)定時(shí)偏移（Symbol Timing Offset）等問題，會(huì)影響對(duì)速度估計(jì)的準(zhǔn)確性或?qū)е聹y距模糊。文獻(xiàn)[22]歸納了收發(fā)端共用參考時(shí)鐘、對(duì)單站中多天線的CSI 進(jìn)行求商或者共軛乘、多站聯(lián)合消除定時(shí)誤差等方法來應(yīng)對(duì)時(shí)鐘偏差對(duì)感知的影響。

4.4 隱私與計(jì)費(fèi)

無線感知相比攝像頭感知在視距內(nèi)的隱私性更好，因?yàn)闊o線感知只能獲得感知測量量的圖譜而無法獲得肉眼可辨識(shí)的圖片；但另一方面，無線感知相比非射頻感知的感知范圍更廣，例如能感知到視距以外例如門后面人的活動(dòng)等。因此，安全與隱私是無線感知的挑戰(zhàn)之一。安全與隱私不僅需要保護(hù)無線感知所獲得的感知目標(biāo)的隱私信息在其所有者的授權(quán)范圍內(nèi)使用，還需要保障無線感知服務(wù)端到端流程的安全和認(rèn)證，避免受到攻擊或篡改。例如，通過對(duì)感知信息進(jìn)行模糊化處理或者對(duì)感知信號(hào)進(jìn)行加密，來保證感知的隱私的安全。

感知計(jì)費(fèi)是通感一體化商業(yè)模式的重要組成部分，潛在的內(nèi)容包括計(jì)費(fèi)對(duì)象、計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)費(fèi)方案，其中計(jì)費(fèi)對(duì)象既需要考慮對(duì)感知服務(wù)需求方的收費(fèi)，也需要考慮對(duì)作為感知信號(hào)發(fā)送或接收節(jié)點(diǎn)（例如終端用戶）的付費(fèi)。包括計(jì)費(fèi)策略在內(nèi)的靈活合理創(chuàng)新開放的商業(yè)模式和生態(tài)是通感一體化未來成功商用的重要前提之一。

5 結(jié)束語

電磁波信號(hào)在人類活動(dòng)的高價(jià)值場景幾乎實(shí)現(xiàn)了無縫覆蓋，電磁波信號(hào)天然具有通信與感知雙重功能。通感一體化系統(tǒng)通過通信和感知兩種功能的頻譜資源共享、硬件共享、空口聯(lián)合設(shè)計(jì)、信息交互與協(xié)作以及協(xié)議聯(lián)合設(shè)計(jì)，相比通信和感知分離的系統(tǒng)，能獲得融合增益與協(xié)作增益。本文首先介紹了通感一體化的場景與性能指標(biāo)，然后介紹了通感一體化的感知方式和感知流程以及通感一體化的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)包括通感一體化波形設(shè)計(jì)、MIMO-通感一體化技術(shù)、通感一體化與backscatter 和RIS 技術(shù)的結(jié)合等。最后介紹了通感一體化在性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，信道建模與仿真方法、硬件非理想因素的影響、隱私與計(jì)費(fèi)等方面面臨的挑戰(zhàn)。針對(duì)這些挑戰(zhàn)進(jìn)行攻關(guān)是通感一體化未來規(guī)模商用的重要前提。