低空通信 | 低空通信为什么需要通感一体？为什么5G-A可以通感一体？
低空通信 | 低空通信为什么需要通感一体？为什么5G-A可以通感一体？
随着5G技术的不断发展，5G-A（5G Advanced）作为其演进版本，引入了通感一体（ISAC，Integrated Sensing and Communication）这一革新性技术。这项技术不仅提升了通信效率，更为低空经济、海域监控等领域带来了革命性的变化。本文将深入探讨5G-A通感一体技术的原理、优势及其广阔的应用前景。
在低空经济这一新兴应用场景的视角下，5G-A（5G Advanced）相较于5G初期的显著优势，莫过于其引入的革新性技术——通感一体（ISAC，Integrated Sensing and Communication）能力，这无疑是其最强大的竞争利器。
之所以将通感一体视为5G-A的杀手锏，核心在于它首次赋予了通信基站除传统通信功能之外的全新能力——感知。这一“感”字的融入，不仅丰富了基站的功能维度，更标志着通信技术向智能化、融合化迈出了重要一步。通过在同一硬件平台上集成通信与感知两种功能，5G-A能够在保障高效数据传输的同时，实现对周围环境的精准监测与理解，为低空经济中的无人机物流、空中交通管理、环境监测等多样化应用提供了前所未有的技术支持与效率提升。因此，通感一体技术的引入，无疑是5G-A在低空经济领域展现其独特价值的关键所在。
何谓感知？
感知简单理解就是感受外界的能力，比如通过眼睛看、通过耳朵听、通过手触摸等等。而若想让非生物体具备感知能力，一般需要通过各类传感器来实现，比如摄像头、温度传感器、震动传感器等。但5G-A基站并不需要外置传感器来感受外界，而是靠自身与生俱来的优势——电磁波。
电磁波，这一无形无质的奇妙存在，自百余年前被揭示以来，便迅速成为人类信息传递的得力助手。如今，它如同空气中密布的织网，以光速穿梭于手机、平板电脑、智能家电等各式电子设备与通信基站、无线路由器等电信枢纽之间，默默承载着人类无线通信的绝大部分信息流量，从日常的移动通信、便捷的WiFi上网，到传统的无线电广播、遥远的卫星通信，无一不体现着电磁波不可或缺的作用。
更有趣的是，电磁波还是雷达技术的核心元素，扮演着探测未知物体的关键角色。雷达的工作原理，简而言之，便是通过向目标发射电磁波，并捕捉其反射回来的信号，从而计算出物体的位置与运动速度。这一功能性的命名“radar”（radio detection and ranging）直接揭示了其本质——利用无线电波（即电磁波）进行探测与测距。
因此，无论是支撑无线通信的电磁波，还是驱动雷达探测的电磁波，它们本质上是同一物理现象的两种不同应用体现。区别在于，前者专注于承载并传输数据，构建起人类社会的数字桥梁；而后者则侧重于探测与感知，为科技进步与安全保障提供了重要手段。两者共同见证了电磁波作为现代科技基石的非凡价值。
5G-A为什么能感知？因为它实现了通信数据传递和雷达监测的融合
随着移动通信迈入5G时代，基站与雷达在核心技术层面迎来了前所未有的交汇点。这一交汇的核心驱动力，正是5G所依赖的超高速率实现的关键——天线技术的飞跃性升级，特别是新型超大规模阵列天线（Massive MIMO）的应用。这些由成百上千个独立天线单元精密排列而成的阵列，宛如天空中的微型激光网格，能够精准地在空间中进行波束赋形，即将多路信号如同独立光束般隔离并定向传输与接收，确保信号间互不干扰。
正是得益于这种波束赋形技术，5G基站能够实现多路数据的高效并行传输，极大地提升了网络的整体吞吐能力。而有趣的是，这一在通信领域大放异彩的大规模天线阵列技术，早已在雷达领域深耕多年并展现出卓越性能。军事上广泛部署的相控阵雷达，便是利用类似的大规模独立天线单元，结合波束赋形技术，同时发射并管理多个电磁波束，通过精确测量各波束与被探测物体反射信号的时间差，来准确判定物体的位置与移动速度。
因此，不难想象，通过适当的调整与优化，5G基站所使用的大规模天线阵列完全具备“跨界”潜力，实现向阵列雷达功能的“降维打击”。这种融合通信与感知能力的技术理念，正是通感一体（ISAC）技术的精髓所在，它预示着未来通信网络将不仅仅是数据传输的管道，更将成为集感知、分析、决策于一体的智能生态系统的重要组成部分。
新型的5G-A通感一体天线，为了深化波束赋形的精准度，相较于传统5G天线，其天线单元数量翻了一番。尽管这一设计牺牲了微不足道的数据传输能力（不足10%），但它巧妙地利用剩余资源，在维持5G通信业务顺畅的同时，赋予了基站雷达探测的新功能，能够即时捕捉移动物体的位置与速度信息。
通感一体技术的诞生，对于移动通信领域而言，无疑具有里程碑式的意义。它标志着移动基站首次超越了单纯的数据传输范畴，融入了强大的感知能力，这一能力与5G基站的高密度部署特性相得益彰，形成了完美的互补。
鉴于当前5G基站网络覆盖的广泛性与密集性，几乎在所有需要雷达监测的区域，都能找到现成的5G基站作为转换平台。通过简单地将传统5G天线替换为5G-A通感一体天线，即可无缝集成感知功能，无需额外建设雷达设施。
在低空经济领域，这一技术的潜力尤为显著。敏感区域的5G-A基站一旦启用，即刻化身为无人机识别与监控的“电子哨兵”，对任何违规入侵的无人机实施即时警报，构建起坚不可摧的空中安全防线。此外，随着低空经济的蓬勃发展，遍布城区的通感一体基站还能成为无人机管理的得力助手，实时掌握城市上空无人机的动态信息，为空中交通管理提供关键数据支持。
同样，该技术在其他领域也展现出广阔的应用前景。在海域监控方面，海边的5G-A基站能够精准识别并追踪海面上的非法活动，如偷渡船只、禁渔期内的非法捕鱼等，为执法部门提供即时、准确的目标位置与速度信息，极大提升了监管效率与响应速度。特别是在国家海疆安全方面，通感一体技术的引入，无疑为应对外部挑衅、维护领海主权提供了更为高效、智能的监控手段。
综上所述，5G-A通感一体站以其卓越的实时移动物体识别能力，正逐步成为各类场景下的理想监控解决方案，无论是低空经济、海域安全，还是未来的车联网等领域，都将见证其带来的革命性变化。
5G-A园区的组网架构
5G-A 阶段的通感算融合应对是通感融合的初步融合，由于本阶段不考虑改变原有的网络架构和通信波形，更多的考虑使用现有频率和设备架构进行一些简单的通感融合业务，如高精度定位或者非高精度的成像业务等。
5G-A 局部场景部署的通感融合架构
从通信和感知的业务诉求来看，通信需要更高的频谱效 率，而感知需要全双工式的通信方式以达到高感知精度，但 是全双工在现有 5G 网络架构下无法实现，因此通信和感知 融合后，设备形态将发生较大的差异。考
5G-A 通感一体融合的关键指标
5G 通信和感知融合后应当采用哪些指标做为评价指标直接影响通感融合的发展方向，因此需要综合考虑通信和感知的需求。在 5G 通感融合关注和高效能指标：在通信和感知指标中选取与通信和感知相关性高或者决定度高的参数，从而形成简单的高效能的指标体系。下图给出了通感一体的评价指标，供大家在低空基础设施建设中设立相关招标参数和验收标准。
- 传输速率：
传输速率是无线通信中较为重要的参数，可以表征系统可以为单用户提供的极限速率和用户体验速率。在通感融合后，基于采用新波形或者需要让渡一部分空口资源给感知，因此极限峰值速率可以与 5G 标准中基本持平或者略有降低。
用户体验速率这是针对单个用户在进行无线通信中的业务保障速率，因此采用通感融合可以基于感知赋能通信，提升用户体验速率。
- 频谱效率：
频谱效率主要是指在单位频谱资源情况下可以获取的用户吞吐量，用于表征频率的使用效率，这主要是考虑到频率资源的有限性。频率效率提升的方式主要有空间分集，如Massive-MIMO 技术，而通感融合的加入可以实现基于感知的波束对准，实现频谱效率的提升。在频谱效率中，也设置了峰值频谱效率和体验频谱效率，并要求指标要适度提高。
- 流量密度：
流量密度流量密度是单位面积内的总流量数，是衡量移动网络在一定区域范围内数据传输能力。在 5G 时代需要支持一定局部区域的超高数据传输，网络架构应该支持每平方公里能提供数十 Tbps 的流量。在实际网络中，流量密度与多个因素相关，包括网络拓扑结构、用户分布、业务模型等因素。
- 能效
能效是衡量设备功耗效率的重要指标，在 5G 前这个指标较为弱化，5G 后随着设备功耗的急剧提升和国际碳排量的要求，逐步成为当前最为重要的参数之一。通感融合一方面需要额外的功率进行感知，一方面可以通过感知对无线资源进行合理化管理，通过如减少选取无线信道质量较差的信道等方法提升能效。因此在能效指标制定中，需要平衡这两方面的影响，然后明确合适的指标值。
- 移动性
移动性是 5G 通信中表征用户移动情况的指标，目前要求为 500km/h，但是在通感融合后，需要对感知数据有时效性较高的处理要求，因此对感知物体的移动速率将对通信感知一体化造成较大的调整，因此在通感融合初期可以按照设备能力尽量减少对移动性的要求，但同时要开展特定场景通感融合超高速技术的研究。
- 时延
时延是通信中数据传输和处理能力的表征参数，在工业等场景下要求较高，通信和感知融合后，将对时延有更加严格的要求，这样才能实现高效感知和高效通信数据处理，因此在 5G 通感融合中建议进一步加严时延要求。
- 可靠性
可靠性是通信和感知都共同需要保障的网络指标参数，在 5G 中已经将该指标提升到 99.999%。在通感融合中，可以与 5G 其他业务的指标保持一致。
- 感知准确度
感知准确度是在通感融合中需要提出的非通信类的指标。感知的业务类型很多，如定位、成像、呼吸感知等。目前，定位是 5G 中主推的业务，使用的衡量标准是定位精度，如要求到 cm 级等。但是在业务较多的情况下，如何来评价感知的性能是一个需要广泛和深入研究的课题。
- 算力
算力是 5G-A 中新提出的一种评价指标，主要是由于 5G 到 6G，人工智能技术与通信技术呈现出不断融合的趋势。因 此算力能力也应该成为新型的指标参数纳入评价体系。
10）安全等级
安全是未来通信中尤为重要的一环，在通信和感知融合后，存在空口资源核心网资源的通信与感知业务的公用，因此需要在现有 5G 基础上加强对全域化和局域化安全等级的性能提升。
- 一体化程度
在通信和感知融合过程中，将出现不同的融合方式，如简单合设、部分融合和完成融合等，一体化的程度将决定设备的规格、功耗等，一体化程度越高设备尺寸就越小、功耗节约度越高。