通感一體化：基站和雷達也能合體？

作者 / 蜉蝣采采

文章字數 / 6555

閱讀時長 / 不確定

想象一下，在未來的某一天，你坐在沙發上，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，并把識別的結果轉換為指令，并實時傳回控制系統。

這就要用到我們本文要講到的技術：通信感知一體化。

它是3GPP在5G-Advanced階段研究的新技術，也被看作6G的關鍵技術之一。

它也是Wi-Fi組織正在研究的課題，實現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境的狀態，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。

這不就是雷達的工作職責嗎？

雷達的基本原理，就是發出無線電信號，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，當無線電信號遇到不同介質或物體時，它們會由于反射、折射、散射而產生不同的變化。如果我們能夠準確地測量和分析這些變化，就可以得到物體或介質的特征信息，比如形狀、大小、位置、材質等。這就相當于雷達用無線電波“感知”到了物體或介質。

除了普通雷達，還有激光雷達、計算機斷層掃描、磁共振成像等設備也能提供專業的感知能力。

這下發現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備（比如天線、放大器、濾波器等），而硬件設備也是非常昂貴和復雜的。如果能夠讓一套設備既能支持通信又能支持感知，相當于節省了硬件成本。

再次，通信和感知都需要進行類似的信息處理（比如編碼、調制、解調、解碼等），這個過程是非常復雜的。如果能夠讓一套算法既能實現通信又能實現感知，以有限的代價換來了翻倍的能力，想必也是極好的。

可以看出，基站是為“通信”而生的專門設備，雷達則是專為“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的功能，采用一套設備同時實現通信和感知的功能，并達到通信輔助感知，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、目標檢測、目標跟蹤和目標識別等能力的通信系統，早期也叫做“雷達通信一體化”。

而廣義的通感一體化則是指具有感知一切業務、網絡、用戶和終端，以及環境物體的屬性與狀態的通信系統，其在感知的上可具有超出傳統雷達的能力。

隨著5G頻譜從傳統的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準化的議程。

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階段研究的關鍵技術，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，實現很多以前想象不到的目標。

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

這是因為，基站作為通信基礎設施是無處不在的，且在鐵塔上，電源、天饋、傳輸等資源均具備，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用場景。

低空安防

隨著消費級無人機的發展，由于難以監控，無人機隨意亂飛現象越來越嚴重。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。 目前無人機安防市場多種探測方案并存，但都面臨技術、效率、成本等諸多限制。

通信感知一體化技術，可以讓需部署低空安防區域的多個基站秒變雷達，再結合基站內部的算力資源，快速搭建低空安防系統，只要基站信號可達，就能實時定位和追蹤入侵無人機，供安防系統下一步決策參考。

反過來，基于通感一體化提供的成像、地圖構建和環境重構能力，系統可以化被動為主動，派出無人機進行偵察、物流派送等活動，并能根據多站感知能力，在未知的環境中執行自動導航和路徑規劃。

智慧交通

在車聯網場景中，需要對道路本身和環境進行識別感知，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。

通感一體系統可實時感知道路上的車流狀態，實現人、車、路的高效協同，保障交通安全，提升交通系統運行效率。

通感一體系統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控，分析人的動作以及行為在技術上都是可行的，但個人隱私泄露的風險也很大。

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內公認的發展趨勢。

通信感知一體化系統可以利用基站或者Wi-Fi路由器發射的無線信號來實現對人的動作和行為的精細感知，為智能家居系統提供更加豐富的功能。

比如，采用通感一體化，可實現人來燈亮，人走燈熄；可以通過不同姿勢，可以切換操縱任意電器，還可實現本文開頭的虛擬彈鋼琴；當小孩爬到窗口陽臺上，或者老人摔倒等危險發生時，給住戶發送通知；在住戶離家時有人進入，則會觸發安防報警。

除了上述的家居控制，安防監控之外，室內的通感一體化還可以進行行為監測。系統通過表跟蹤、定位和識別，可以對人的行為進行監測并進行分析與判斷。

比如，可通過對步態的精細化監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，活動區間以及睡眠質量等。

社會治理

通信感知一體化還有很多我們意想不到的用途，比如氣候環境監測、公共安全管理等社會治理的重要方面。

在氣候環境監測場景中，借助無線網絡無處不在的特性，基站可通過發送通信感知一體化信號，結合水分子、灰塵及各類化學物質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，實現降水量、污染氣體排放和空氣質量的實時監測等。

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，可以實現諸如臺風預警、洪水預警和沙塵暴預警等功能，為災害防范提前預留時間。

智慧醫療

健康醫療方面，通信感知一體化系統在實現高速通信的同時，還可以有效地實現健康監測和管理。

現有技術已經實現了利用通信信號實現人體的呼吸和 心跳的監測。當發現呼吸和心率異常時，預警信息通 過通信鏈路實時回傳給用戶，實現實時監測功能。

同時，太赫茲成像和光譜檢查也將賦予醫療保健領域極大的想象空間。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 液的監測。

太赫茲成像診斷宮頸癌患者轉移性淋巴結

可以說，未來基于太赫茲的通感一體化系統，可以隨時隨地監控你的健康狀態，讓一切病癥無所遁形。

3、通信感知一體化的技術原理

感知，需要利用無線電信號進行目標檢測、定位和信息提取，目的和我們司空見慣通信是不同的，因此其實現原理和評價體系也是不同的。

對于目標檢測，雷達（支持通感的基站也一樣）需要發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是不是存在。

假設目標已經移動到了感知區域，系統隨即成功檢測到了，這當然是最好的；如果系統沒有檢測到，這就叫做“漏檢”。而如果目標并不存在，系統卻像“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目標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。

在實現成功檢測的基礎上，就可以對目標進行精確定位，也就是進行距離、速度、角度等數據的感知。

目標距離的感知主要是通過測量發射信號和目標回波之間的時間差來實現的。這段時間差是電磁波在雷達（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，就可以算出目標的距離。

目標速度的感知主要是利用目標運動產生的多普勒效應，通過測量目標回波信號的多普勒頻移來推導目標速度。

目標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的反射回波間的強度差，就可以據此來測定目標角度了。

上圖表達了測角的一種方式

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

再回到通信，其性能通常以系統容量、時延、誤碼率等指標來衡量。我們打開測速軟件嘗試一下，便可以直觀地看到表達通信的性能的指標。

由于通信與感知兩者的設計與優化目標不同、性能評價指標不同，對通信最優的傳輸方案，對感知可能并非最優，反過來也是一樣的。

因此，要實現通信感知一體化，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，如何優化發射信號，使得通信和感知的性能損失都能相對小一些，在總體上達成設計目標。

首先是通信感知波形和幀結構的一體化。

目前用于通信的基站和用于感知雷達使用不同的波形，為各自的目標服務。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。

雷達系統的常見波形有脈沖波與連續波這兩種方式。

脈沖波雷達是周期性發送的矩形脈沖，接收在發射的間歇進行，發射的時候是沒法接收的。如果目標距離比較近，反射回波到達雷達天線時，信號發射還沒有結束，自然沒法接收信號并進行目標檢測，因此我們說脈沖波存在感知盲區。

連續波雷達發射的是連續的正弦波，可以發射和接受同步進行。如果信號不進行調制，就叫作單頻連續波，主要用來測量目標的速度。

如果測量目標速度的同時，還要測量目標的距離，就需對發射的波形進行調制，如調頻連續波（Frequency Modulated Continuous Wave，簡稱FMCW）等。

在當前通信系統中，連續波占據主導地位，以4G和5G采用的正交頻分復用OFDM波形為代表。

通感一體化波形設計主要有以下三大技術路線：以通信為中心的一體化波形設計、以感知為中心的一體化波形設計、通感聯合的一體化波形設計。

通感聯合的一體化波形固然是最終的目標，但實現的難度也大，性能上是通信和感知的折衷，目前還處于早期研究階段。

典型的通感聯合的一體化波形 OFDM-Chirp的原理如下圖所示，通信和感知數據通過頻分復用分別被調制到完全正交的奇數子載波和偶數子載波上，因此可以做到感知和通信信號互不干擾。

典型的通感聯合的一體化波形 OFDM-Chirp

如果要在基站側集成感知功能，屬于在通信主業之外的順勢而為，不能喧賓奪主，自然需要以通信為中心的波形設計。反之，如果在雷達上集成通信功能，感知自然是第一位的，自然需要以感知為中心的波形設計。

在目前的移動通信網絡中，存在大量的基站，這屬于已投資的沉沒成本。讓這些基站實現感知功能的代價相對較小，但卻開辟了感知的新藍海，因此需首先考慮采用以通信為中心的波形設計。

業界目前實現的方案是，在傳統的Sub-6G頻段，通信和感知都采用OFDM連續波；在毫米波頻段，通信繼續采用OFDM，而感知則采用雷達的波形。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大于感知。

對于通感一體化的網絡架構，在無線側有主要兩種方式：單站感知和多站協同感知。

所謂單站感知，也就是同一個基站需要同時發送感知信號并接收目標的反射回波，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。

所謂多站協同感知，是指多個基站之間進行充分的協作，基站1發出感知信號，經過目標反射之后，由基站2來接收并進行感知計算。

移動通信網絡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。要實現多站感知，需要各個基站之間保持嚴格的同步關系。

在核心網側，還需要為感知功能增加一個基于服務化接口的網元，也就是SF（Sensing Function）。這個網元既可以和5G核心網融合部署，也可以獨立部署。

5GC融合架構可支持基站側感知和終端側感知，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備對接，比較適合當前階段部署。

4、通信感知一體化面臨的挑戰

目前，通信感知一體化已 經在3GPP R19立項研究（TR22.837）。這張宏大的畫卷，將要從構思走向著墨。

下面是通信感知一體化必須要解決的一些挑戰。

自干擾

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

這種系統內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字域自干擾。

通感一體化面臨的自干擾挑戰

天線間自干擾指發送端的天線信號直接泄露被接收天線接收。由于接收和發射天線的距離較近，干擾信號能量較大，給后續數據處理帶來很大問題。

射頻干擾指發端射頻鏈路泄露的信號到接收端射頻鏈路的現象。數字自干擾，指發送端進入的部分數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、數字自干擾信號混雜在探測目標產生的回波信號中，降低了接收信號質量，導致有用信號的占比降低，增加了目標感知和檢測的難度。

同步問題

單站感知由于收發端共用同一時鐘源，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，將對感知精度產生很大的影響。

5G通信系統基站之間，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，定位精度至少達到米級甚至分米級，收發基站之間1微秒同步誤差，就會導致300米的距離感知誤差。

因此，要實現通感一體化，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，對于高速移動目標如車輛的感知，為實時跟蹤車輛的位置，需要短時間內快速處理感知數據并獲取感知結果并回傳給用戶。

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，需要用高復雜度的算法解算精確位置。

對于健康醫療來講，后臺需要同時處理海量用戶的健康檢測數據，完成呼吸、心跳等參數的解算。

對于上述通感一體化的應用場景，一方面，我們需要設計高精度的感知算法，高性能算法，意味著高復雜度，對于算力的要求也就更高。

另一方面，感知實時性對感知結果的處理和回傳提出極高的要求，需要系統提供更快的傳輸速率、采樣率、以及處理速率。

當前通信系統，無論網絡架構還是硬件很難支撐如此大規模的算力。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絡一網多能的特色，更像是一種雙關的隱喻。

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研究報告

2. [郵電設計技術] 通信感知 一體化—— 從概念到實踐

3. [中國通信學會] 通 感算一體化網絡前沿報告

4. [華為研究] 5G-A通感一體化的場景、挑戰及關鍵技術

5. [3G PP TR22.837] Feasibility Study on Integrated Sensing and Communication

6. [PRAANESH SAMBATH] Radar Target detection using Cell Evaluation Method for Industrial Safet y