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作为6G潜在新技术之一，通信和感知（通感）一体化（Integrated Communications and Sensing）近年来引起了学术界和工业界的广泛关注。
通感一体化概念的提出也推动了通信和感知两个研究领域科研工作者的碰撞和融合。
或许，对于通信人来说，要想清楚如何实现一体化，可能得先弄明白什么是“感”。
实际上，在无线通信的研究领域，并不缺乏有研究工作提到感知（sensing）。比如无线传感网络（Wireless Sensor Networks）、群智感知（Crowd Sensing）等等。
特别地，在无人机（Unmannded Aerial Vehicle）通信领域，典型的感知应用包括空气质量监测[1]、目标识别与跟踪[2]、野火探测[3]等。通常以信息年龄（Age of Information）、感知速率、感知节点数量、任务完成总时间等为感知业务的关键性能指标。
那么，这种以数据传输、数据采集为主的感知到底是不是通感一体化中所说的“感”呢？
1.
如果做过一些文献调研，可能会发现有很多讨论通感一体化的文章是把通信（communications）和雷达（radar）技术结合在一起的，比如文献[4] [5]。图1表示了一个与多输入多输出（Multiple-Input-Multiple-Output, MIMO）雷达系统共享频谱的MIMO通信系统[6]。
正是这个原因，这几年开始学习雷达技术相关原理的通信人增加了很多。很多与雷达相关的论文成了通信领域热门论文，相关的项目也成为香饽饽。
图1 一个与MIMO雷达系统共享频谱的MIMO通信系统
实际上，将通信和雷达技术融合在一起的技术只是通感一体化的一种实现方式，并不是通感一体化的全部。
更一般情况，通感一体化更广泛地涵盖了任何将不同类型的传感器、控制器和通信设备集成在一起的技术或方法。
因此，可以将通信和雷达技术融合在一起作为通感一体化的一种实现方式，但并不是所有通感一体化的实现方式都涉及到雷达技术。
在通信感知一体化技术研究报告（IMT-2030 6G）中，对通感一体化的概念做了进一步的定义和规范：
通信感知一体化是指通过空口及协议联合设计、时频空资源复用、硬件设备共享等手段，实现通信与感知功能统一设计，使无线网络在进行高质量通信交互的同时，实现高精度、精细化的感知功能，实现网络整体性能和业务能力的提升。 可以看到，通感一体化是将传统的无线通信和传感器网络两种技术融合在一起，实现对环境、物体、事件等的实时感知、数据采集和信息传输的一种技术，从而实现智能感知和智能通信的目的。如图2所示的感知移动网络[7]。
图2 感知移动网络
通感一体化中的感知和雷达感知是有区别的。虽然两者都可以为系统提供信息采集和处理的能力，但感知通常是多种传感器和数据源的融合，而雷达感知则是侧重于对特定的物体探测和成像技术。
简单来说，通感一体化中的“感”所指范围更广、应用场景更丰富、业务需求更多样。
回到最开始的那个问题——数据传输算不算“感”？答案应该是肯定的。
但是这种实现方式大概是以通信为中心（Communications-Centric）的通感一体化，与通感一体化中的“一体化”真正实现还有距离。
2.
在了解通感一体化定义之后，我们开始思考如何实现通感一体化。
关于通感一体化的关键技术，北邮的6G系列科普视频“通感一体化”[8]给了很全面的分类和形象的介绍。这里简单总结如下：
（1）空口技术：波束赋形、一体化波形设计、帧结构、多直接入、干扰消除、无线资源管理等；
（2）网络技术：节点入网、网络管控、网络化感知、干扰管理等；
（3）通信网络辅助的多传感器融合感知和定位：通过网络化手段，实现多传感器信息的融合，提高感知和定位精度；
“只要有通信信号覆盖的地方，就可以实现环境感知的能力”。通感一体化技术的提出给了人们更多的想象空间，当然也是通信领域研究的一剂强心剂和助推剂。
图3 发表论文数呈上升趋势（数据来源：web of science）
在未来，通过传感器技术、控制器技术和通信技术的深度融合，通感一体化将有不同的应用场景和目标。例如：
- 感知移动网络：将无线感知融合到大规模移动网络，增加移动网络感知环境的能力；
- 工业互联网：将工业制造设备和传感器集成在一起，实现设备之间的协作和信息共享；
- 无线电传感器网络：利用无线电技术实现传感器之间的数据通信和协同感知；
- 多车协同智能车联系统[9]：将车辆、传感器和通信设备集成在一起，实现车辆之间的信息共享和协同感知；
- 远程医疗、智慧家居......
图4 面向超视距感知的多车协同智能车联系统的典型应用场景
文献[10]给出了通感一体化在6G中的新应用场景，如图5所示。
图5 通感一体化在6G中的新应用场景
基于通感一体化技术，“通感算”“通感算存”以及“通感控”等新技术和新概念也层出不穷。“通感一体化+AI”的相关研究也已经不少。
“学无止境”，大概是每位通信人的执着吧。
3.
此前，华为6G研究团队搭建了太赫兹（Tera Hertz）通感一体通用原型平台，让通感一体化逐步从概念走向实现。然而，通感一体化的应用不局限于此。
从软件和硬件的实现上来说，无论工作原理、系统架构还是频段，通信系统和感知系统确实存在不少相似之处[11]。例如两者均具备天线、发送端、接收端、信号处理器等硬件，在硬件资源上有很大重叠。
可以预见的是，为了推开“万物智联”的6G新时代的大门，通信、感知功能的一体化设计将成为趋势。
因此，通感一体化如何落地和应用仍然是值得持续思考和研究的问题。
参考
- ^Hu Z, Bai A, Yang Y, Zheng Z, et al. UAV aided aerial-ground IoT for air quality sensing in smart city: Architecture, technologies, and implementation [J]. IEEE Netw., 2019, 33(2): 14-22.
- ^Gu J, Su T, Wang Q, et al. Multiple moving targets surveillance based on a cooperative network for multi-UAV [J]. IEEE Commun. Mag., 2018, 56(4): 82-89.
- ^Bushnaq O M, Chaaban A, Al-Naffouri T Y. The role of UAV-IoT networks in future wildfire detection [J]. IEEE Internet Things J., 2021, 8(23): 16984-16999.
- ^T. Wu, C. Liu, and W. Hong, "Joint Communication-Radar Signal Processing: A Survey," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 21, no. 4, pp. 3694-3717, 2019.
- ^X. Cheng, L. Zhu, and X. Zhang, "A Survey of Integrated Radar and Communication Systems," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 21, no. 3, pp. 2505-2536, 2019.
- ^L. Zheng, M. Lops, Y. C. Eldar and X. Wang, "Radar and Communication Coexistence: An Overview: A Review of Recent Methods," in IEEE Signal Processing Magazine, vol. 36, no. 5, pp. 85-99, Sept. 2019, doi: 10.1109/MSP.2019.2907329.
- ^J. A. Zhang et al., "Enabling Joint Communication and Radar Sensing in Mobile Networks—A Survey," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 24, no. 1, pp. 306-345, Firstquarter 2022, doi: 10.1109/COMST.2021.3122519.
- ^https://www.bilibili.com/video/BV1J3411a7oS/?vd_source=7b73aab58759850713fb07130efe1bb0
- ^http://citnet.cn/index.php?m=&c=index&a=show&catid=132&id=1476
- ^https://www.huawei.com/cn/huaweitech/future-technologies/integrated-sensing-communication-concept-practice
- ^姜大洁,姚健,李健之,等. 通信感知一体化关键技术与挑战[J]. 移动通信, 2022,46(5): 69-77.
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发表于 2023-3-22 19:47:55
