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通感一体化融合的研究及其挑战.docx
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2022-07-10
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通感一体化融合的研究及其挑战.docx
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【摘 要】通感一体化充分利用通信系统和感知系统在硬件、信息处理上高度趋同
的特性,从而达到通信系统和感知系统的完美融合,以实现智能、绿色的信息通
信系统,是 6G 研究的热点技术之一。探讨了目前通感融合的 4 种技术场景、3
个阶段的通感融合思路以及基于互信息的性能分析方法,并基于此,在工作频率、
资源分配方式和信号设计方面提出了可能的一体化设计方案。
【关键词】6G;通感一体化;通感理论;定位;行为分析
0 引言
通信系统从 5G 走向 6G,产生了全域覆盖、绿色智能、感官互联、通感一体
的网络愿景
[1]
。一方面,数目激增的无线通信、感知设备使得业务需求的无
止境增长与无线资源矛盾愈发突出;另一方面,6G 愿景的实现需要借助对环
境感知信息的获取、信息交互与共享、智能信息处理到控制信息(包括对通
信网络的控制信息及应用执行设备的控制指令)逐层分发的闭环信息流处
理。现有无线网络架构和相关技术已经难以满足后 5G(B5G, 5G and
Beyond)/6G 时代不断涌现的应用需求,亟待研发资源高效利用、差异化应
用智能适配的新型网络架构和使能技术联合通信与感知系统,即通感一体化
[2]
。
感知和通信有着各自的评价体系和理论框架,然而,没有一种理论能很好地
分析通感一体化系统及其一体化程度。目前已有的感知上限的理论有:参数
估计理论,比如 Cramér–Rao 下限、模糊函数;物体成像分辨分析方法,比
如瑞利准则、Abbe 衍射极限;光谱感知,比如海森伯测不准原理。而通信上
限的理论主要基于香农第一定理。自 Woodward 和 Davies 开创性地研究雷达
信息理论的半个多世纪以来,信息理论已广泛应用于雷达信号处理中。然
而,由于在雷达和通信领域中“信息”概念的内在差异,对雷达应用中信息
理论的研究并不如其在通信领域中来的深入。雷达系统的唯一目的是寻找关
于目标的信息,通常意义上是非合作的,而通信系统的目的是提取有关发射
信号的信息。随后,Bell 的开创性论文
[3]
,即以信息论测度自适应地设计发
射波形,进而从接收到的测量信号中提取更多的目标信息,使得信息论在雷
达信号处理中重新站稳了脚跟。自此以后,信息理论准则,特别是互信息和
相对熵(又称之为 KullbackLeibler 散度),已成为自适应雷达波形设计算
法的核心。
基于上述这些挑战,通信感知一体化成为 6G 研究的热点。本文分析了通感
一体化的工作模式,并基于不同模式下将讨论通感一体化的理论研究框架,
最后研究讨论了可能的通感一体化设计方案。
1 技术场景分析
1.1 工作模式分析
图 1 中,Sensing Initiator 和 Sensing Target 分别为感知主体和感知目
标,Sensing Responder 为感知辅助设备。感知主体主动发射感知信号,同
时接收来自感知目标的信号,这种工作模式定义为主动感知或者单站感知;
反之,通过辅助感知设备,即感知信号来自其他设备,这种工作模式被称为
被动感知或者分布式感知。若感知目标具有感知信号的处理或者转发能力,
即感知目标参与了感知过程,称为合作感知;反之,称为非合作感知。
图 1(a)和(b)是主动感知,前者感知目标是合作式,感知主体和感知目
标一般为通信设备,具有发射和接收信号的能力,最典型的应用场景为定位
系统。为了实现更高的感知性能,感知主体和感知目标需要一定的信息交
互,比如采用 3GPP 定义的信道测量技术来实现。由于感知主体和感知目标
的信息交互,3GPP 对同步误差、同步信息等都做了相关标准化的工作。后者
为非合作式感知,感知目标和感知主体没有信息交互,但是感知主体一般需
要工作在双工模式下。
图 1(c)和(d)为被动感知或者分布式感知系统。典型特点为感知主体和
感知辅助设备不是同一个(种)设备。前者是感知目标可以自行发射感知信
号,但并不接收感知信号,比如一个具有广播功能的感知目标。感知辅助设
备通过监听感知目标的发射信号来进行感知。典型应用为 Wi-Fi 中具有
Monitor 功能的感知网络。后者感知目标是反射或者透射来自其他设备的感
知信号,比如通信系统发射机发出的信号照射在周围环境,然后被接收机接
收。在这种情况下,对周围环境的感知就是分布式非合作感知系统。这种工
作模式和现行通信系统的工作模式可以很好地兼容,如果采用上行信号,基
站需要有更大的动态范围,在接收到通信信号的同时,能够对微弱的反射信
号进行分离。如果采用下行信号,由于用户侧的射频资源有限,需要用户将
测量到的感知信号通过通信链路反馈给基站进行感知处理。
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