通信感知一体化（ISAC）概述

通信感知一体化（ISAC）概述

随着信息技术，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，并对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了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。

ISAC基础问题

感知方式

• 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。

频谱要求

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 1~10 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390~830THz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。

ISAC前沿技术研究

未来通信感知一体化系统，可以将感知信息和通信信息在系统内进行融合，形成无线通信与无线感知融合的新型服务，并以服务接口的形式提供给上层应用，从而可以更好的为大众及行业提供更加优质、便捷、人性化的服务与应用。同时，系统不是孤立的提供感知服务，这些服务还可以用于反向促进并提升系统自身的通信质量。

通信辅助感知服务

通过无线通信对感知信息进行传递和汇聚，可以拓展感知服务的广度、深度，提高感知服务的时效性。基于通信与感知融合技术可提供高精度定位、高分辨率成像以及虚拟环境重构等高效的感知服务，可以有效构建数字孪生环境，实现千行百业的数字化再呈现和深度处理。下面将着重介绍三种典型的通信辅助感知服务：

1. 高精度定位

通信感知一体化系统中将基于通信与感知融合技术实现高精度的定位服务， 一方面基于通信中的参考信号获得设备的位置信息，另一方面也可以基于对反射的无线信号的时延、角度以及多普勒信息的感知，获得距离、角度和速度信息。无线通信与感知技术的深度融合，将为定位提供更多置信度信息，从而提升定位精度。高精度定位既可以服务于通信系统本身，也将广泛应用于无人机操作与自动驾驶、 机器人运动控制、 增强现实、智能工厂、智能物流以及智能交通等。

2. 高分辨率成像

   通信感知一体化系统中将基于通信与感知融合技术提供高分辨率成像服务，通信感知一体化系统中基站、终端等各种节点具有无线感知能力，利用多角度、多维度、超大数量的感知信息实现超高分辨率成像服务。因其可以全天候、无接触地服务，并具有无电离损伤、高隐私安全等特点，可以更好地服务于医疗/健康、安检、工业生产等领域，例如，工业制造过程中的缺陷/故障检测，医疗领域的癌变组织和龋齿的检测。

3. 虚拟环境重构

   通信感知一体化系统中基于通信与感知融合技术，可以利用无线信号进行定位与成像提供虚拟环境重构服务，在未知环境中移动的感知设备识别周围环境信息，构建环境的 2D/3D 地图，进一步提高定位精度。虚拟环境重构通过环境状态与变化的感知，可用于提升通信系统的性能，以及服务于数字孪生，智能城市管理，车辆及无人机的自动驾驶等应用。

   感知服务辅助通信

   在当前的 3GPP 标准中已经提供了一定感知能力的定义、架构和技术（如定位），目前初步支持的通信感知一体化应用包括定位、信道估计与信道测量。未来基于通信感知一体化系统可以通过无线通信信道环境的感知、识别与预测进一步提升无线通信系统的性能，未来通信网络中的通信感知一体化用例包括：

4. 辅助发送端配置

   运用感知信息及感知结果，辅助通信系统各通信节点的发射端进行参考信号、数据信号发送相关的参数集选择或参数配置等。例如通过信道环境感知，调整参考信号发送图样、序列、密度及发送功率等参量，调整波束搜索范围，调整数据信号调制、编码方式，通过发送信号的调整，达到节能、提高频谱利用率等效果。

   在基于毫米波的无线通信系统中，为了为目标用户分配较佳的服务波束，现有基于纯通信协议的毫米波波束训练/跟踪方法需要基站频繁发送训练序列并进行测量反馈，空口时频资源开
   销过大，同时还具有时延较高，波束跟踪时效性较差，难以及时与无线信道实时匹配等缺陷，进而造成较高的波束失败和通信中断概率。在通信感知一体化系统中，无线通信系统能够具有
   一定的感知能力，使系统在完成通信目的同时，能够对环境（目标）状态进行及时的感知，进而为提高波束训练和跟踪的效果、同时降低其资源开销提供了可能。
   

   图中给出了基于毫米波/太赫兹通信感知一体化系统感知方面的特点和优势，具体说明如下：

   • 毫米波频段能提供比现在使用的 sub-6 GHz 更大的频谱带宽。因此，就能够实现更高
     的到达时间（TOA）和到达频率（FOA）的时频分辨率。
   • 大规模天线阵列和高方向性传输增强了到达角（ AOA）和离开角（AOD）的空间分辨
     率。
   • 波束空间中毫米波信道的稀疏性可以被用来降低信号处理的复杂度和降低硬件成本，并
     简化定位中非视距（NLOS）路径干扰的消除问题。此外，通过利用可分辨多径分量和
     非视距路径与散射体之间的几何关系，毫米波等高频段通信中使用的多输入多输出通信
     系统能够将多径传输信道从无效干扰变为有效信号，增强定位精度。
   • 密集部署的多个基站对同一个环境/目标进行感知，可以提高感知的范围、精度和分辨率。

5. 辅助接收端算法

   运用感知信息及感知结果，辅助通信系统接收端信道估计、均衡、波束管理等模块进行算法选择、算法参数设置及算法优化等。例如通过基站、终端、云/边端或者多网元协同对环境进行感知，构建环境地图。终端通过对环境的感知，确定自己在环境地图中的位置以及位置预测。通过感知技术获得更加准确的信道信息调整接收波束，可实现在移动场景下窄波束的快速波束赋形及跟踪，保证业务低时延，高可靠的传输。

6. 智能调度

   基于通感融合技术，对用户属性与状态、网络性能与状态、终端性能与状态、环境属性与状态等进行感知与分析，实现对无线频谱资源、网络计算资源、切片等的灵活高效管理和调度，提高网络资源的利用率和减少能源消耗。例如，利用定位、成像及姿态/动作识别等技术，结合智能算法、云/边端计算能力，获取用户的属性与状态。

7. 自组网

   在基于自组网的无线通信场景中，如无人机、车联网等场景，需要及时根据环境的属性和状态变化进行灵活组网。例如通信感知一体化系统中，利用感知获得的有关邻居节点分布的先验信息，可以减少碰撞，加快邻居发现的收敛速度，以达到加速组网的效果，进而实现灵活高效的多址接入、切换、路由等，提升网络性能。

《通信感知一体化技术研究报告》