通感一體化融合的研究及其挑戰

高飛，王文劍，劉建國，徐朝軍，許文怡，徐夏剛，蔡立羽

（上海諾基亞貝爾股份有限公司，上海 201206）

0 引言

通信系統從5G 走向6G，產生了全域覆蓋、綠色智能、感官互聯、通感一體的網絡愿景[1]。一方面，數目激增的無線通信、感知設備使得業務需求的無止境增長與無線資源矛盾愈發突出；另一方面，6G 愿景的實現需要借助對環境感知信息的獲取、信息交互與共享、智能信息處理到控制信息（包括對通信網絡的控制信息及應用執行設備的控制指令）逐層分發的閉環信息流處理?，F有無線網絡架構和相關技術已經難以滿足后5G（B5G,5G and Beyond）/6G 時代不斷涌現的應用需求，亟待研發資源高效利用、差異化應用智能適配的新型網絡架構和使能技術聯合通信與感知系統，即通感一體化[2]。

感知和通信有著各自的評價體系和理論框架，然而，沒有一種理論能很好地分析通感一體化系統及其一體化程度。目前已有的感知上限的理論有：參數估計理論，比如Cramér-Rao 下限、模糊函數；物體成像分辨分析方法，比如瑞利準則、Abbe 衍射極限；光譜感知，比如海森伯測不準原理。而通信上限的理論主要基于香農第一定理。自Woodward 和Davies 開創性地研究雷達信息理論的半個多世紀以來，信息理論已廣泛應用于雷達信號處理中。然而，由于在雷達和通信領域中“信息”概念的內在差異，對雷達應用中信息理論的研究并不如其在通信領域中來的深入。雷達系統的唯一目的是尋找關于目標的信息，通常意義上是非合作的，而通信系統的目的是提取有關發射信號的信息。隨后，Bell 的開創性論文[3]，即以信息論測度自適應地設計發射波形，進而從接收到的測量信號中提取更多的目標信息，使得信息論在雷達信號處理中重新站穩了腳跟。自此以后，信息理論準則，特別是互信息和相對熵（又稱之為KullbackLeibler 散度），已成為自適應雷達波形設計算法的核心。

基于上述這些挑戰，通信感知一體化成為6G 研究的熱點。本文分析了通感一體化的工作模式，并基于不同模式下將討論通感一體化的理論研究框架，最后研究討論了可能的通感一體化設計方案。

1 技術場景分析

1.1 工作模式分析

圖1 中，Sensing Initiator 和Sensing Target 分別為感知主體和感知目標，Sensing Responder 為感知輔助設備。感知主體主動發射感知信號，同時接收來自感知目標的信號，這種工作模式定義為主動感知或者單站感知；反之，通過輔助感知設備，即感知信號來自其他設備，這種工作模式被稱為被動感知或者分布式感知。若感知目標具有感知信號的處理或者轉發能力，即感知目標參與了感知過程，稱為合作感知；反之，稱為非合作感知。

圖1（a）和（b）是主動感知，前者感知目標是合作式，感知主體和感知目標一般為通信設備，具有發射和接收信號的能力，最典型的應用場景為定位系統。為了實現更高的感知性能，感知主體和感知目標需要一定的信息交互，比如采用3GPP 定義的信道測量技術來實現。由于感知主體和感知目標的信息交互，3GPP 對同步誤差、同步信息等都做了相關標準化的工作。后者為非合作式感知，感知目標和感知主體沒有信息交互，但是感知主體一般需要工作在雙工模式下。

圖1（c）和（d）為被動感知或者分布式感知系統。典型特點為感知主體和感知輔助設備不是同一個（種）設備。前者是感知目標可以自行發射感知信號，但并不接收感知信號，比如一個具有廣播功能的感知目標。感知輔助設備通過監聽感知目標的發射信號來進行感知。典型應用為Wi-Fi 中具有Monitor 功能的感知網絡。后者感知目標是反射或者透射來自其他設備的感知信號，比如通信系統發射機發出的信號照射在周圍環境，然后被接收機接收。在這種情況下，對周圍環境的感知就是分布式非合作感知系統。這種工作模式和現行通信系統的工作模式可以很好地兼容，如果采用上行信號，基站需要有更大的動態范圍，在接收到通信信號的同時，能夠對微弱的反射信號進行分離。如果采用下行信號，由于用戶側的射頻資源有限，需要用戶將測量到的感知信號通過通信鏈路反饋給基站進行感知處理。

圖1 通感一體化系統工作模式（藍色線為感知信號，黑色線為通信信號）

1.2 通感一體化融合分析

通感一體化系統的融合可以從底層資源融合和功能層面融合來討論，這里的資源指的是感知功能和通信功能所依賴的軟硬件資源，包括頻譜、天線、功率、射頻、基帶以及相應的計算處理資源。功能層面主要包括通信功能和感知功能，包括通信功能對于感知功能的提升以及感知輔助通信。前者比如通信功能對于感知信息的共享、對感知信號的傳輸等；后者是指通過對周圍環境的感知，可以降低波束訓練的開銷，降低通信中斷的恢復時間。業界有觀點認為在通信感知一體化技術發展過程中，通信和感知將分階段、分層次融合演進，其技術趨勢主要包括“業務共存、能力互助、網絡共惠”三個階段[1]。根據通信和感知功能共存以及性能增益的不同，將通感一體化系統分為三種形式，即共存（co-exist）、共生（cooperation）以及共建（co-design）。

（1）共存

在這種模式下，通信功能和感知功能會單獨設計，采用獨立的硬件和頻譜。在這種情況下，通感一體化主要體現在功能融合，即感知功能獲得用戶和周圍環境的信息，以提高通信性能，這里的提高只是通信資源的調度。比如，可以通過毫米波雷達傳感器獲得用戶的行為和位置信息，將這些信息提供給通信系統，可以用來做通信資源分配，從而達到綠色、智能的通信網絡。反過來，如果檢測到附近有通信用戶活動，可以將其反饋給感知系統，進一步獲取用戶的準確信息。此外，通信功能可以有效傳遞和會聚感知信息，以支撐多節點協作感知，進而擴展感知的維度和深度[2]。

（2）共生

隨著通信系統從4G 到5G 演進，通信設備所具有的帶寬越來越寬，其射頻能力包括天線數目和通道數也越來越強，這使得通信系統和雷達系統在硬件資源上逐漸趨于相同。從另一方面來看，通信系統在滿足通信功能的同時，其天生所具有的感知功能并沒有被開發。在這種模式下，如圖2 所示，通信功能和感知功能會以頻分、時分、空分的形式共享同一塊硬件資源[4]，不同的色塊代表面向不同功能的資源塊，在每個資源塊內，會根據用戶再進行分配。在這種情況下，通信功能和感知功能會以其中某一種功能為主，同時利用剩余資源來完成另一種功能，其關鍵問題在于保證一方性能的同時優化另一方性能。頻譜融合設計有兩個技術方向：一是在感知信號中調制通信信號，二是在通信信號中引入感知信號[5]。

圖2 通感共生下資源分配

（3）共建

如圖3 所示，通信感知一體化系統最終需要實現按需感知、按需通信、綠色智能的通感一體化網絡，因此，在這種模式下，通信功能和感知功能不但需要共享同一塊硬件資源，還能夠在信號設計、波形和調制技術上實現共享，其不僅能夠滿足未來高速、低時延、大規模連接和高可靠性的通信需求，同時能夠滿足復雜多樣的感知需求。在這種模式下，需要對網絡架構進行修改，以滿足通信資源和感知資源在信息反饋下的資源再調度。

圖3 通感一體化架構

1.3 通感性能分析

作為6G 的一個典型應用，通感一體化系統的研究才剛剛起步，通信系統和感知系統作為獨立功能的存在已經具有大量的研究。1920 年代，奈奎斯特等人就開展了一系列有關通信系統傳輸的基礎研究，直到1940 年代，香農基于之前的研究，提出了在噪聲存在下，有限帶寬通信系統的通信速率極限[6]。在無設備感知方面，最早的雷達可以追溯到1904年。在1950 年，相控陣概念的雷達第一次出現。經過幾十年的發展，MIMO 雷達的概念和相控MIMO 雷達的概念分別在2004 年和2010 年提出，作為聯合雷達和通信的概念在2006 年被提出[7]。在有關感知性能研究方面，包括參數估計法、物體成像分辨率分析方法和光譜感知方法。而基于設備的感知，最初全球導航衛星系統（GNSS,Global Navigation Satellite System）已被用來提供最初的位置服務。此外，蜂窩定位是作為全球導航系統的一個很好的替代方案，其性能指標主要為定位準確度和定位穩定性。通信感知一體化技術研究報告對無線感知目標檢測理論、目標定位理論、感知成像理論、菲涅爾區理論等方面都進行了介紹[1]。

然而目前沒有一種理論和評估方法來研究通感一體化系統及其融合增益。我們在IMT2030 大會上提出了基于互信息（MI）的度量。MI 還與其他指標相結合進行通感一體化系統性能的研究。例如，有兩個標準，即基于條件MI 的最大化和最小化的最小均方誤差（MMSE,Minimum Mean Squared Error），利用目標脈沖的協方差矩陣響應來優化MIMO 雷達的波形設計。目前研究結果表明，基于MI 的優化與基于CRLB 的優化存在著密切的聯系，基于MI 的方法與基于CRLB 的算法相比更高效、更簡單。

總之，目前來說，對于聯合通信與感知系統，其中互信息這個概念可以作為其總體性能的評價標準，從而引起了業界廣泛的關注。具體來說，對于通信，發送與所接收的信號之間的MI 可作為波形優化準則，而對于感知，則是感知信道與反射信號之間的MI 可作為波形優化準則，如圖4 所示。盡管有一些研究成果來權衡通信和感知系統，但是現有的對通感一體化的系統研究仍然是有限的。

圖4 通信功能與感知功能的互信息

對于通感一體化系統的理論框架的考慮，通常來說要同時考慮在發送訓練和數據符號的情況下如何優化發射信號使通感一體化的總體性能達到最好。需要以互信息作為性能指標，從信息理論的角度研究分組結構和時空信號功率掩碼分配（功率掩碼是指用不同的天線傳輸不同能量來傳輸不同的符號的一個框架體制）?；バ畔⒆鳛檠芯康目冃е笜?，可以說是一個關鍵的、普遍的衡量方法，比如衡量有多少信息可以通過已知通信信道的情況下傳遞，又有多少反射信號可以被捕獲并用來感知未知目標。不同于其他指標（如檢測概率和虛警概率），互信息的使用消除了特定類型的檢測器或檢測算法，并提供了對通感一體化的理解[8]。

為了從框架上說明從通信、感知到通感一體化的轉變，Xs 和Xc 分別表示分配給感知和通信的資源。最終將通過融合的信號層來克服層間約束，使其能夠優化協同設計。這樣的策略代表了最緊密集成的設計，通過波形統一趨向于或部分收斂于信號級集成，如圖3 所示。新的信號層的目的是處理包括通信與感知功能的無線發射及接收信號，從而進行感知信息提取以及完成數據傳輸任務，兩者的聯合信號處理應在這一層進行，以便可以獲得所有必要的信息。

不同于以往通信與感知各自單獨的功能，信號層允許高效交換有用的通信感知的信息功能。此外，可通過協同設計，靈活優化運營參數，平衡資源分配，甚至相互配合協助提高無線感知能力和通信功能。當然，從互信息角度，通常沒有解決方案可以同時滿足最大化通信和無線感知的互信息，因此聯合優化的通感一體的互信息可以由式(1)通信與感知的加權和來表示[9]，其中對于通信，發送與所接收的信號之間的互信息可作為波形優化準則；對于傳感，則是優化傳感信道與反射信號之間的互信息：

通過這種聯合優化，聯合增益其產生的根本原因是通感一體化設計優于獨立的通信和感知功能。從本質上講，通感一體化的運作意味著用于通信和感知功能的組件或資源能否實現更高效的耦合來提高資源利用率。根據兩者的集成程度，有各種各樣的聯合增益包括硬件的改進、頻譜效率、能量效率以及更低的延遲和信號開銷。例如，如果拆分天線陣列分為兩組：一組用于雷達和另一組用于通信。相比一個共享的天線陣（即一個更緊密耦合的通感一體化設置），減少的空間自由度、較低的角分辨率和干擾管理都將會引起額外的開銷和代價。然而，此種分離天線設置相比于完全分離的感知和通信功能的設置，也顯示了其能量和硬件的改進效率。此外，信號層策略可以更緊密地耦合，以允許通信和感知在緊耦合設備上以及相同空、時、頻資源上同時進行發射。這樣，具有雙功能（通信與感知）的信號就可以在此實現了一個完全統一的波形。這是最終追求的目標，對此今后將會有更加深入的研究?，F階段通過研究總結，目前在資源共享模式（緊耦合）下，考慮到通信與感知的互信息，通感一體化可以具有最優的性能。但是，通信的互信息與感知的互信息不能同時達到其最大值。如果想追求更好的通信或感知各自的性能，則系統必須工作在資源非共享模式（松耦合）下，這樣通信與感知可以分別達到其最大值。

除此之外，基于互信息，還應該考慮通信系統和雷達結合的情況下多址接入的理論邊界問題[10]。與傳統多終端的上行接入理論邊界不同，雷達波的上行接入也需要考慮互信息的最大化從而提高雷達系統的測量性能，比如目標分類能力或平均測量誤差?？傊?，使用信息理論來開發雷達容量并結合傳統通信容量，可以用來衡量一個聯合雷達通信網絡的總容量。對此需要定義一種新的雷達信息速率，即雷達估計速率，這個速率類似于數據通信的信息速率，此時雷達接收信號的熵等于雷達的熵過程不確定性加上估計不確定性。如果目標分離得很好，那么每個目標估計可以看作是一個獨立的信息通道。為了簡化討論，本文只考慮具有時延的單一雷達?；谶@樣一種通信雷達融合的模式，可以確定雷達與通信各自的邊界速率。

再者，在通感一體化中，獲取質量較好的感知信道尤為重要，因為只有獲取較好的感知信道，才可以得到比較大的MI 值，這也是為什么把感知信道CSI 的線性和非線性問題的優化和通感信息的互信息理論緊密聯系起來。區別于傳統通信，要重點考慮如何用較低的復雜度來對感知信道敏感的一些線性、尤其是非線性因素進行優化（如I/Q 不平衡問題、符號定時同步、采樣時鐘同步等）。此外，對于聯合優化通信與感知還包括：1）評估通信與感知信道協方差矩陣的相關系數；2）如何配置通感一體化中的導頻數據比；3）如何平衡感知和通信權重系數等動態運行機制的設計等。

2 通感一體化方案分析

通感一體化系統需求在場景、覆蓋范圍和性能三個維度具有一定程度的一致性。但是，不同頻段的無線感知與通信能力及硬件需求具有顯著差異[5]，因此需要在工作頻率、系統資源、波形以及處理方式多個維度進行研究。

2.1 工作頻率

傳統雷達主要工作范圍為400 MHz 到77 GHz。IEEE將電磁頻譜分為不同的頻譜資源，根據波長包含長波、中短波、毫米波、紅外線、可見光以及紫外線等。通常情況下，雷達頻段采用字母來表示，比如L 波段（1—2 GHz）、S波段（2—4 GHz），C 波段（4—8 GHz），X 波段（8—12 GHz）等[11]。L 波段、S 波段和C 波段雷達主要應用在長/中距離檢測、空管雷達、天氣檢測等[12]；X 波段雷達主要用于機載雷達，可以很好地在雷達尺寸和檢測性能中得到均衡。無人駕駛雷達的工作頻率在24 GHz、74 GHz、77 GHz 和79 GHz[15]。更高的工作頻段如THz 頻段，可以賦予系統特有的感知能力，因為這個頻段的系統在所有的物理尺度上：距離、角度和多普勒信息都可以達到非常高的精度[16]。通信系統從2G 到6G 的太赫茲研究，在頻率上和雷達及太赫茲感知有著相近或者重疊的頻譜，因此我們將通感一體化系統的頻率資源也分為低頻和高頻，如圖5 所示。然后和傳統雷達不同，通感一體化系統需要兼容現有通信協議，這也給通感一體化系統研究帶來了額外的挑戰，比如工作帶寬、天線數目、同步和功耗等無法達到雷達系統的硬件資源，但是通信系統具有連接設備多、設備數量密集的優勢，因此通感一體化系統的感知方式跟傳統雷達會有很大不同。比如，采用菲涅爾區方式進行微小手勢識別和呼吸檢測[17-18]，采用人工智能方法的動作檢測[19]。

圖5 通感一體化頻率方案

2.2 系統資源分配

面向6G 的通感一體化系統需要通過對發射信號、射頻資源、計算資源等進行優化從而同時滿足兩種功能，文獻[20]討論了時間、頻率和空間資源對于通信和感知系統的影響。低時延是5G 以及面向6G 的通信系統最重要的特點之一，因此，以時分的方式來分配通信和感知資源需要格外小心，因為感知信號會擠壓通信信號發出的時間窗口，所以，通感一體化系統可以通過梳狀信號設計，同時結合波束掃描來盡可能降低對通信信號的影響。波束合成和MIMO 已經廣泛應用于通信系統中，雷達采用波束合成和MIMO 提高檢測距離和檢測性能，但在波束使用和MIMO 波形設計上，通信系統和雷達系統有著不同的需求。MIMO 雷達采用多路正交信號作為發射波形，以形成相互獨立的信息通道，各回波之間相互獨立，方便處理單元對回波的處理，常見的正交信號包括正交多頻信號、正交離散頻率編碼信號等，其中正交多頻信號是OFDM 信號的變種，在這種波形中，不同子載波交錯地分布在不同的天線單元上。而MIMO 通信系統通過信道的正交性來發送多流信號。表1 中列出了通感一體化設計中所設計資源及其影響。

表1 通感一體化資源以及性能影響

2.3 通感一體化信號

通感一體化信號和波形的設計需要綜合考慮系統性能要求、硬件設計難度、信號處理難度以及處理時延等。文獻[21]中從功率峰均比（PAPR）以及射頻電路的影響、信號處理復雜度以及全雙工等多個方向討論了通感一體化的設計。本文在此不再贅述，接下來討論通感一體化下的一體化信號設計方法。

在1.2 節討論了通感融合的共建模式，在這種模式下，通信功能和感知功能在信號設計、波形和調制技術上實現共享。OFDM 和FMCW 波形分別是目前通信系統和雷達系統使用最廣泛的波形，OFDM 波形也是目前通感一體化系統最有希望的一種波形，因為其在數據承載和感知方面都有很好的性能，已經實現了OFDM 波形下位置、物體震動和行為檢測以及通信功能，但是OFDM 波形下巨大的數據吞吐也需要消耗大量的計算資源。FMCW 波形可以簡化硬件設計，文獻[22]中討論了FMCW 波形在通感一體化中應用的可能性，但FMCW波形在通信性能上弱于OFDM，所以，單純FMCW 波形并不是通感一體化系統的最佳選擇。此外，由于通感一體化下感知場景的多樣性，如果按照最高的感知性能來設計系統，必將帶來極大的資源浪費和對通信性能的影響，因此，在1.3 節通感性能中提出了采用MI 理論框架來進行通感融合研究，相較于圖2 中通信資源和感知資源互相獨立，可以設計一種信號，不但同時兼顧通信和感知，也能根據感知場景自適應調節，稱之為通感一體化信號，如圖6（a）所示。除此之外，還可以設計一種全新的通感一體化系統架構。在通感融合性能分析中，提出可以建立一個信號層來克服層間約束，從而聯合優化通感性能，而非割裂的分析各自功能。圖6（b）中提出一種可能的信號層設計，在發射端可以兼容通感一體化信號，在接收端可以聯合處理通信和感知信號，并能實現通感功能的共享。

圖6 通感一體化：（a）信號；（b）系統架構

3 研究展望

通感一體化系統的研究才剛剛起步，有很多需要研究的方向，在此提出幾個可能的方向供大家參考：

（1）干擾消除技術：第1 節中介紹了四種通感工作模式以及討論了各種工作模式下的優缺點，不同工作模式下通信功能和感知功能之間也存在不同程度的干擾，因此，通信和感知之間的干擾管理以及消除也是通感一體化研究中非常關鍵的一個問題。相比于傳統雷達系統，通信系統的帶寬資源很有限，因此可以探索多頻段感知方式。

（2）人工智能算法：此外，AI 技術的快速發展也給通感一體化的研究提供了一種非常強力的感知信號處理辦法。人工智能技術已經被應用在一系列感知相關研究中，比如多人呼吸檢測[23]、雷達信號檢測[24]、人體行為分析[25-26]等。

（3）多頻帶感知：通信系統的頻譜資源比較稀少，但可以通過多個頻段的信號聚合來提高距離分辨率，比如文獻[27]提出了一種低復雜度的多載波ToA 檢測方法。

（4）感知輔助通信：對周圍環境的精確感知和用戶行為的分析，可以提高通信系統的穩定性，比如文獻[28]提出了一種利用感知信息來提高波束賦形的方法。

4 結束語

通信系統和感知系統在過去幾十年一直是獨立在發展，然而面向6G，可以看到,這兩個系統融合的可能及其可能帶來的在頻譜資源、硬件資源以及性能上的提升。研究表明，通感一體化系統在不同頻段的應用需求有著顯著的差異，不同頻段的通感一體化系統也有著不同的工作模式，因此通感一體化系統面臨諸多技術模式和路徑選擇。此外，基于MI 的理論模型，在同時考慮訓練符號和數據符號的情況下，可以有最優的功率分配方案。也就是說，雖然不能同時達到通信與感知各自最佳的性能，但是可以聯合通信與感知，獲得最好的通感一體化的性能。另外，如何配置通信信道和感知信道的協方差矩陣相關系數、如何配置通感一體化中的導頻數據比、如何平衡感知和通信權重系數等動態運行機制的設計都是需要進一步研究的課題。目前，大部分相關研究是基于點對點通信模式，比如發送通感一體化信號給終端的時候無上行干擾，同時使用空間上廣泛分離的天線陣列來接收感知周邊物體的干凈的反射信號。但在實際工作場景中，無論是在基站側還是終端側，信號干擾總是存在的，如何解決這些干擾也是非常重要的課題?；谛袠I所提出的面向6G 的眾多通感一體化場景，本文分析了多種工作模式、頻段特點以及融合策略，需要指出的是，沒有一種模式或者頻段能夠滿足所有的應用需求，因此通感一體化系統應存在多個子系統，在設計上，需要考慮與相應的通信平臺和通信協議相兼容下進行通感融合，此外，還需要結合所在頻段的電磁波特性，比如波長、帶寬等選擇相應的感知算法以及干擾消除策略。

當然，除了以上問題，通感一體化在信道模型與評估方法，信號、系統協議和流程設計，硬件協同設計，與太赫茲結合的感知、數據融合、隱私與安全、功耗、尺寸、成本等各個方面都有著不小的挑戰，可以共同期待通感一體化健康平穩地發展。