通感一体化
来源:中科院半导体所发布时间:2023-04-233782浏览
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来源：无线深海 作者：蜉蝣采采想象一下，在未来的某一天，你坐在沙发上，只需一挥手，窗帘打开，灯光点亮。然后你变换新的手势，手指在空中上下翻飞，悦耳的钢琴声便充满了整个房间。
是的，你不但在用手势来控制家中的一切，还能在空中弹奏虚拟的钢琴！要做到这些，必然需要通过无线的方式来进行高精度的身体定位和动作识别，并把识别的结果转换为指令，并实时传回控制系统。这就要用到我们本文要讲到的技术：通信感知一体化。它是3GPP在5G-Advanced阶段研究的新技术，也被看作6G的关键技术之一。它也是Wi-Fi组织正在研究的课题，实现开头的场景只需要一个无线路由器。
1、什么是通信感知一体化？话说这世间的万事万物，大抵都是相通的。通信和感知这俩看似八竿子打不着的东西之所以能合体，必然是它们在最底层共享着同样的基因。对于通信，我们是非常熟悉的。通过基站和手机之间相互收发无线信号，我们就能在那块小小的屏幕上打电话，听音乐，刷视频，和这个世界紧密相连。感知，顾名思义就是通过某些手段来探测周边环境的状态，物体的位置、方向、高度、速度、距离，还可以判断物体的形状，甚至人的动作手势。
这不就是雷达的工作职责吗？
雷达的基本原理，就是发出无线电信号，然后通过探测和分析接收到的反射信号来进行高精度的感知工作。简单来说，当无线电信号遇到不同介质或物体时，它们会由于反射、折射、散射而产生不同的变化。如果我们能够准确地测量和分析这些变化，就可以得到物体或介质的特征信息，比如形状、大小、位置、材质等。这就相当于雷达用无线电波“感知”到了物体或介质。除了普通雷达，还有激光雷达、计算机断层扫描、磁共振成像等设备也能提供专业的感知能力。这下发现通信和感知的相通之处了吗？
首先，通信和感知都需要使用无线电频谱资源，而频谱资源是非常稀缺和宝贵的。如果能够让同一个无线信号既能传递信息又能进行感知，那么就可以节省频谱资源，并提高频谱利用率。其次，通信和感知都需要使用类似的硬件设备（比如天线、放大器、滤波器等），而硬件设备也是非常昂贵和复杂的。如果能够让一套设备既能支持通信又能支持感知，相当于节省了硬件成本。再次，通信和感知都需要进行类似的信息处理（比如编码、调制、解调、解码等），这个过程是非常复杂的。如果能够让一套算法既能实现通信又能实现感知，以有限的代价换来了翻倍的能力，想必也是极好的。可以看出，基站是为“通信”而生的专门设备，雷达则是专为“感知”而存在的，它们虽然在表面上看起来迥然相异，却早已将根紧握在地下，叶相触在云里。
如果能在基站里面融入雷达的功能，采用一套设备同时实现通信和感知的功能，并达到通信辅助感知，感知辅助通信的化境，对两者均可谓是一种涅槃重生般的双赢。如上所述，通信和感知系统的融合，就叫做“通信感知一体化”，简称“通感一体化”或者“通感”。如果我们需要阅读英文资料，则“通信感知一体化”写作Integrated Sensing And Communication，简称ISAC，读作“艾萨克”。ISAC这个名称和经典物理的奠基人艾萨克·牛顿爵士的名字在读音上非常相似，也暗自印证着“万物相通”这一亘古不变的真理。狭义的通感一体化是指具有上面提到的有测距、测速、测角、成像、目标检测、目标跟踪和目标识别等能力的通信系统，早期也叫做“雷达通信一体化”。
而广义的通感一体化则是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通信系统，其在感知的上可具有超出传统雷达的能力。
随着5G频谱从传统的Sub6G向毫米波拓展，波长的减少让感知的能力不断提升。因此，在5G的下半场，也就是5G-Advanced阶段，通信感知一体化被纳入了标准化的议程。在未来的6G，频谱将拓展到太赫兹，感知的能力会更进一步增强，给我们带来更大的想象空间。
2、通信感知一体化有什么用处？作为5G-Advanced阶段研究的关键技术，6G的核心愿景之一，通感一体化可以给通信基站和终端叠加Buff，帮我们做很多事情，实现很多以前想象不到的目标。
通感一体化的目标不在于取代雷达、摄像头或者其他传感器，它的最大优势在于“顺势而为”。
这是因为，基站作为通信基础设施是无处不在的，且在铁塔上，电源、天馈、传输等资源均具备，如果只需通过软件升级就可以拥有感知能力，何乐而不为呢？
下面是一些典型的通感一体化应用场景。 智慧交通在车联网场景中，需要对道路本身和环境进行识别感知，对车辆位置、速度及运动方向进行识别，对道路上异常事件进行识别。
通感一体系统可实时感知道路上的车流状态，实现人、车、路的高效协同，保障交通安全，提升交通系统运行效率。通感一体系统可利用通信基站站点高、覆盖广的特点，实时、大范围、感知车道流量和车速信息，同时检测行人或动物道路入侵，有效实施道路监管，保障交通安全和提升交通效率。 智能家居虽说基于摄像头对家里进行监控，分析人的动作以及行为在技术上都是可行的，但个人隐私泄露的风险也很大。想象一下，在你毫不知情的情况下，自己在家中的一举一动早已成了楚门的世界，是不是感觉不寒而栗。因此，基于摄像头的智能家居方案的适用范围有限，基于无线的解决方案已成为业内公认的发展趋势。通信感知一体化系统可以利用基站或者Wi-Fi路由器发射的无线信号来实现对人的动作和行为的精细感知，为智能家居系统提供更加丰富的功能。
比如，采用通感一体化，可实现人来灯亮，人走灯熄；可以通过不同姿势，可以切换操纵任意电器，还可实现本文开头的虚拟弹钢琴；当小孩爬到窗口阳台上，或者老人摔倒等危险发生时，给住户发送通知；在住户离家时有人进入，则会触发安防报警。除了上述的家居控制，安防监控之外，室内的通感一体化还可以进行行为监测。系统通过表跟踪、定位和识别，可以对人的行为进行监测并进行分析与判断。比如，可通过对步态的精细化监测与识别判断是哪位家庭成员，还可以进一步分析每一个家庭成员看电脑、看电视、睡觉、走动等活动的时间比例，活动区间以及睡眠质量等。 社会治理通信感知一体化还有很多我们意想不到的用途，比如气候环境监测、公共安全管理等社会治理的重要方面。在气候环境监测场景中，借助无线网络无处不在的特性，基站可通过发送通信感知一体化信号，结合水分子、灰尘及各类化学物质对无线信号衰落的特性，分析获得一体化信号强度等变化特性，实现降水量、污染气体排放和空气质量的实时监测等。
基于太赫兹光谱的大气PM2.5污染分级在公共安全管理方面，通过感知功能的实时探测，可以实现诸如台风预警、洪水预警和沙尘暴预警等功能，为灾害防范提前预留时间。智慧医疗健康医疗方面，通信感知一体化系统在实现高速通信的同时，还可以有效地实现健康监测和管理。现有技术已经实现了利用通信信号实现人体的呼吸和 心跳的监测。当发现呼吸和心率异常时，预警信息通 过通信链路实时回传给用户，实现实时监测功能。同时，太赫兹成像和光谱检查也将赋予医疗保健领域极大的想象空间。例如，太赫兹可以进行癌变组织、龋齿的检测，以及对汗液、眼泪、唾液、外周血和组织 液的监测。
太赫兹成像诊断宫颈癌患者转移性淋巴结可以说，未来基于太赫兹的通感一体化系统，可以随时随地监控你的健康状态，让一切病症无所遁形。3、通信感知一体化的技术原理感知，需要利用无线电信号进行目标检测、定位和信息提取，目的和我们司空见惯通信是不同的，因此其实现原理和评价体系也是不同的。对于目标检测，雷达（支持通感的基站也一样）需要发射信号并接收由回波信号、噪声和其它干扰组成的混合信号，从这些蛛丝马迹中判断能否可以检测到未知目标是不是存在。
假设目标已经移动到了感知区域，系统随即成功检测到了，这当然是最好的；如果系统没有检测到，这就叫做“漏检”。而如果目标并不存在，系统却像“狼来了”一样上报自己检测到了，这就叫做“虚警”。
因此我们对于感知系统目标检测功能的需求是在低虚警概率下，尽可能高地提升检测概率。一般来说，信噪比越高，检测概率也就越高。在实现成功检测的基础上，就可以对目标进行精确定位，也就是进行距离、速度、角度等数据的感知。目标距离的感知主要是通过测量发射信号和目标回波之间的时间差来实现的。这段时间差是电磁波在雷达（基站）之间往返一次的时间，用它乘以电磁波的传输速度（也就是光速），然后再除以2，就可以算出目标的距离。
目标速度的感知主要是利用目标运动产生的多普勒效应，通过测量目标回波信号的多普勒频移来推导目标速度。
目标角度的感知主要通过天线交叠多波束工作，通过不同波束输出目标的反射回波间的强度差，就可以据此来测定目标角度了。
上图表达了测角的一种方式对于上述的目标感知性能的评价，存在分辨率、定位精度、无模糊范围和盲区等维度。这些指标的定义和计算也都比较复杂，在此就不详述了。
再回到通信，其性能通常以系统容量、时延、误码率等指标来衡量。我们打开测速软件尝试一下，便可以直观地看到表达通信的性能的指标。由于通信与感知两者的设计与优化目标不同、性能评价指标不同，对通信最优的传输方案，对感知可能并非最优，反过来也是一样的。因此，要实现通信感知一体化，就要从底层考虑如何把这两个不同的功能和谐地缝合在一起，如何优化发射信号，使得通信和感知的性能损失都能相对小一些，在总体上达成设计目标。首先是通信感知波形和帧结构的一体化。目前用于通信的基站和用于感知雷达使用不同的波形，为各自的目标服务。要在基站上融合感知功能，首要问题就是两者在波形上的共存。雷达系统的常见波形有脉冲波与连续波这两种方式。脉冲波雷达是周期性发送的矩形脉冲，接收在发射的间歇进行，发射的时候是没法接收的。如果目标距离比较近，反射回波到达雷达天线时，信号发射还没有结束，自然没法接收信号并进行目标检测，因此我们说脉冲波存在感知盲区。连续波雷达发射的是连续的正弦波，可以发射和接受同步进行。如果信号不进行调制，就叫作单频连续波，主要用来测量目标的速度。
如果测量目标速度的同时，还要测量目标的距离，就需对发射的波形进行调制，如调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave，简称FMCW）等。
在当前通信系统中，连续波占据主导地位，以4G和5G采用的正交频分复用OFDM波形为代表。
通感一体化波形设计主要有以下三大技术路线：以通信为中心的一体化波形设计、以感知为中心的一体化波形设计、通感联合的一体化波形设计。通感联合的一体化波形固然是最终的目标，但实现的难度也大，性能上是通信和感知的折衷，目前还处于早期研究阶段。典型的通感联合的一体化波形 OFDM-Chirp的原理如下图所示，通信和感知数据通过频分复用分别被调制到完全正交的奇数子载波和偶数子载波上，因此可以做到感知和通信信号互不干扰。
典型的通感联合的一体化波形 OFDM-Chirp如果要在基站侧集成感知功能，属于在通信主业之外的顺势而为，不能喧宾夺主，自然需要以通信为中心的波形设计。反之，如果在雷达上集成通信功能，感知自然是第一位的，自然需要以感知为中心的波形设计。在目前的移动通信网络中，存在大量的基站，这属于已投资的沉没成本。让这些基站实现感知功能的代价相对较小，但却开辟了感知的新蓝海，因此需首先考虑采用以通信为中心的波形设计。业界目前实现的方案是，在传统的Sub-6G频段，通信和感知都采用OFDM连续波；在毫米波频段，通信继续采用OFDM，而感知则采用雷达的波形。无论是Sub-6G还是毫米波，通信和感知都以时分的方式进行，并且通信的时隙占比远大于感知。
对于通感一体化的网络架构，在无线侧有主要两种方式：单站感知和多站协同感知。所谓单站感知，也就是同一个基站需要同时发送感知信号并接收目标的反射回波，单枪匹马独立自主就可以完成感知功能。本文前面的配图，基本上都是单站感知的形式。所谓多站协同感知，是指多个基站之间进行充分的协作，基站1发出感知信号，经过目标反射之后，由基站2来接收并进行感知计算。
移动通信网络中本来就存在多个基站，这种多站感知模式可以形成大面积、无缝覆盖的分布式感知系统。要实现多站感知，需要各个基站之间保持严格的同步关系。在核心网侧，还需要为感知功能增加一个基于服务化接口的网元，也就是SF（Sensing Function）。这个网元既可以和5G核心网融合部署，也可以独立部署。
5GC融合架构可支持基站侧感知和终端侧感知，并能很好地兼顾通信和感知，兼容性好。独立部署可实现通信和感知的能力解耦，感知不依赖于5GC，并可以灵活地和已有感知设备对接，比较适合当前阶段部署。4、通信感知一体化面临的挑战目前，通信感知一体化已经在3GPP R19立项研究（TR22.837）。这张宏大的画卷，将要从构思走向着墨。下面是通信感知一体化必须要解决的一些挑战。自干扰要实现通信感知一体化，就需要在发射信号的同时，接受从探测目标反射回来的回波信号。显然，发送的信号和回波信号是同频的，发射链路的信号强度一般情况下远大于接收链路，从而对接收链路造成强烈的同频干扰。这种系统内自己对自己造成的干扰，就叫作“自干扰”。具体来说，“自干扰”根据来源的不同，有空间域的天线自干扰，还有射频域自干扰和数字域自干扰。
通感一体化面临的自干扰挑战天线间自干扰指发送端的天线信号直接泄露被接收天线接收。由于接收和发射天线的距离较近，干扰信号能量较大，给后续数据处理带来很大问题。
射频干扰指发端射频链路泄露的信号到接收端射频链路的现象。数字自干扰，指发送端进入的部分数字域杂波信号泄露并叠加到接收端，形成干扰源。上述的天线间的自干扰信号、射频自干扰信号、数字自干扰信号混杂在探测目标产生的回波信号中，降低了接收信号质量，导致有用信号的占比降低，增加了目标感知和检测的难度。同步问题单站感知由于收发端共用同一时钟源，同步对感知影响不大。但对于多站感知，由于信号的发送和接收是由不同基站来进行的，如果基站间不同步，将对感知精度产生很大的影响。5G通信系统基站之间，微秒级的同步误差可以满足低时延、高可靠通信的基本需求。然而对于通感一体化，定位精度至少达到米级甚至分米级，收发基站之间1微秒同步误差，就会导致300米的距离感知误差。因此，要实现通感一体化，就必须采用软硬件算法把基站之间同步误差控制在纳秒级甚至皮秒级。这是实现高精度感知的必要条件。算力问题为了获取极致的感知体验，通感系统对感知性能和感知实时性提出了高要求。比如，对于高速移动目标如车辆的感知，为实时跟踪车辆的位置，需要短时间内快速处理感知数据并获取感知结果并回传给用户。对于无人机入侵的感知，由于无人机由于表面积有限，其反射的信号能量很小，需要用高复杂度的算法解算精确位置。对于健康医疗来讲，后台需要同时处理海量用户的健康检测数据，完成呼吸、心跳等参数的解算。对于上述通感一体化的应用场景，一方面，我们需要设计高精度的感知算法，高性能算法，意味着高复杂度，对于算力的要求也就更高。另一方面，感知实时性对感知结果的处理和回传提出极高的要求，需要系统提供更快的传输速率、采样率、以及处理速率。当前通信系统，无论网络架构还是硬件很难支撑如此大规模的算力。因此，我们需要将算力纳入考虑，将通感一体化的概念扩展为“通感算一体化”。5、尾声“通感”一词原本指的是一种勾连不同感官的修辞手法。比如，“看了本文文章，就像吃了人参果一样，余音绕梁，三月不知肉味”这句话就联通了视觉、味觉、听觉、嗅觉等多种感官。将修辞手法中的“通感”用作“通信感知一体化”的简称虽有鸠占鹊巢之嫌，却也点明了未来通信网络一网多能的特色，更像是一种双关的隐喻。通信感知一体化利用无线电波让我们在通信的同时也开了感知的“天眼”，让我们能够“看见”更多，“了解”更多，“创造”更多。通感一体，未来可期。— END —
参考文档1. [IMT2030（6G）推进组]通信感知一体化技术研究报告2. [邮电设计技术]通信感知一体化——从概念到实践3.[中国通信学会]通感算一体化网络前沿报告
4.[华为研究]5G-A通感一体化的场景、挑战及关键技术5. [3GPP TR22.837]Feasibility Study on Integrated Sensing and Communication
6.[PRAANESH SAMBATH]Radar Targetdetection using CellEvaluation Method forIndustrial Safety
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编辑：春雪
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