通感一体化技术路径和现状
通感一体化技术路径和现状
通感一体化技术是将通信与感知功能融合的创新方案，通过集成通信基站、卫星通信和定位、无人机等关键基础设施，形成一个协同的网络系统，提供无缝的通信和高精度感知服务，支持低空经济领域的各种应用。
低空经济发展离不开通感一体化
低空空域通常是指距地平面垂直距离在1000m以内的空域，根据不同地区特点和实际需要可延伸至3000m以内的空域，以垂直起降型飞机和无人驾驶航空器为载体进行低空作业。针对低空通信，由于低空飞行器智能化水平的提高，需要更高带宽对更广泛的飞行数据提供支持；针对低空感知，需要利用通信基站或卫星等设施来提高感知定位的精度。
通感一体化技术是将通信与感知功能融合的创新方案，通过集成通信基站、卫星通信和定位、无人机等关键基础设施，形成一个协同的网络系统，提供无缝的通信和高精度感知服务，支持低空经济领域的各种应用。关键是能够主要依靠一张网解决通信感知问题。
5.5G和6G演进的核心特征之一就是通感一体化。传统的通信基站可以提供高速率、高可靠的通信手段，感知能力尚不足，无法完全对低空经济活动进行支撑，而5.5G基站通过频率提升、天线和射频通道数量增加等方式，提升通信性能的同时增强感知能力。
除此之外，基于通信感知信息的专网通信设备和指挥调度系统，也将在低空基础设施中发挥重要作用。
图2 通感一体化方案
通感一体化离不开卫星通信和卫星导航
卫星是通感一体化网络的重要补充手段，扩展了网络的覆盖范围，增强了网络的灵活性和响应速度。
卫星通信是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个地球站之间的通信，是支撑信息经济的重要基础设施。地面基站大多数用光纤来连接，偏远地区的基站由于地理、网络条件原因无法实现，或者投资性价比低。当前我国已经具备“天通”、“中星”等高轨卫星通信系统，低轨卫星星座建设工作也已经开启。
北斗卫星导航系统具备高精度导航、实时定位、精确授时等能力，在地基增强系统的服务下可提供亚米级、厘米级的位置信息。
图4 北斗卫星定位系统在无人机集群中的应用
物联网模组+无人机
在低空经济场景中，端侧联网设备是实现通信功能的重要环节。
5G、5.5G技术基于其更强大的通信能力和后续进一步具备的通感一体等能力，有望在低空经济通信环节充当重要角色，对应将打开蜂窝物联网模组新的需求空间，而通过结合边缘计算能力、AI技术等，蜂窝模组将进一步提升附加价值。以无人机场景为例，内置5G模组的无人机结合GNSS定位技术，可提前进行飞行路线规划，实现广覆盖、低成本的视频数据和遥感数据的采集。
图5 网联无人机体系
通信和网络感知功能
通感一体网络（Integrated Sensing and Communication,ISAC）是指用同一张网络实现通信和感知功能，整个通信网络可以作为一个巨大的传感器，通过从无线信号中获取距离、速度、角度信息，可以提供高精度定位、手势捕捉、动作识别、无源对象的检测和追踪、成像及环境重构等广泛的新服务。另一方面，感知所提供的高精度定位、成像和环境重构能力可以帮助提升通信性能，例如波束赋形更准确、波束失败恢复更迅速、终端信道状态信息（Channel State Information，CSI）追踪的开销更低，实现“感知辅助通信”。
政策高度重视低空经济，无人机、eVTOL在低空经济中扮演重要角色，利用网络协作通感一体化系统可以对无人机、eVTOL的飞行路径进行监控、管制、调度，助力低空经济的规模发展。
通感一体关键技术
- 通信与感知相关联的信道模型
传统通信信道模型与感知信道模型互相独立，不能反应通信单径传播与感知反射两径传播在传播时延、距离与幅度相位衰落等影响通感性能的关键参数方面的关联。因此，通感一体化性能分析与物理层设计需要新型的通感一体化关联信道模型。
- 通感一体化波形设计
通感联合的一体化波形设计可以提供额外的灵活性和自由度，提高感知与通信的整体性能。例如，在总发射功率和峰均功率比（PAPR）的约束下最小化下行多用户干扰（MUI），加入折中参数来调整感知与通信系统之间优先级。此外，正交时频空（Orthogonal Time Frequency、Space, OTFS）调制等非传统波形的通感一体化波形设计也受到关注。
- 通感一体化波束赋形技术
感知功能需要产生波束扫描效果，以实现更大范围的目标检测；通信功能则通常需要产生精确对准通信接收方的波束，保障可靠稳定的大容量通信。massive MIMO天线阵列可以产生大量的正交波束集，可以通过对波束方向的调控实现在相同或不同方向上通信和感知双重功能。
图9 通感一体化智能波束赋形示意图
- 通感联动的多址接入技术
数据链路层的多址接入技术是指多个用户接入一个公共的传输媒介进行相互通信时，需要赋予每个用户的信号不同的特征，以区分不同的用户。随着 mMIMO 技术的发展，移动网络具备基于波束方向的多用户传输能力。进而提出了基于空分多址的SDMA 技术，可利用正交的空间波束集为多个不同方向的用户发送信息。发射端通过接收感知回波信号实现对接收端位置的探测与追踪，提升通信节点的空分多址接入效率。
- 通感一体化抗干扰信号处理技术
通感一体化系统需搭载一副持续接收感知回波信号的阵列天线以及另一副随上下行通信需求切换收发状态的阵列天线，双天线之间存在干扰，可以采用物理隔离、数字自干扰消除等方式解决。
通感融合实现
实现通感一体，移动网、核心网均需要改造。
在接入网方面，基站和终端需要集成感知收发和处理模块，可以是独立的硬件模块，也可以复用通信模块。核心网方面，需要引入感知单元，负责感知相关的控制平面和数据平面。
构建通感融合的移动网络存在两种技术路线：
技术路线一：在现网架构引入感知能力，核心网需引入定位、测绘、检测识别等功能的感知单元；接入网需要增加基站的通道数与天线阵子数，以提升感知能力；终端需要升级为通感终端（增加智能通信模组）。原有网元间接口尽量复用现有接口，涉及感知能力的进行相应升级，使其能够支持感知相关控制信令和数据传输，这样可以实现感知能力的快速引入和部署，预计前期运营商在试验网建设阶段采用此方式。
技术路线二：从网络架构、网元功能、交互协议等方面进行重新设计，构建通感一体化新型无线网络架构，包括构建物理-数字空间耦合的新型标识模型。相比第一种技术路线，该技术路线将感知功能和通信功能一体化设计，实现各网元间感知能力的协同配合。
通感一体工作模式
通感一体化的工作模式可分为独立感知与网络协作感知两种，独立感知是指由单个基站进行感知，即单个基站发送感知信号到达目标，进而接收和处理目标反射后的感知回波信号，执行感知测量和估计。协作感知是指使用移动通信网络中大规模部署的节点进行协作与交互，一个发射节点复用通信参考信号作为感知信号并将其发射至覆盖区域内时，目标会将感知信号反射到多个方向。此时，附近多个接收节点可以在不同位置上接收同一目标的反射信号，在对各个接收信号进行数据融合处理后，可以实现类似于通信中空间分集的接收处理增益，提升感知精度。
通信与感知两者实现目标、评价准则、性能边界均不相同。依托一张网实现通信与感知融合是运营商希望实现的目标，因此平衡网络效率、通感能力、网络质量之间的三角冲突很重要。
通感一体网络会部署在什么频段上
无线通信系统能力与感知性能均受限于不同频段的频谱资源特性与无线电波传播特性的差异。不同频段的衰落特性将影响通信系统的覆盖范围、信号接收质量等；频谱带宽，将影响通信信道容量、速率，影响感知系统的角度分辨能力及感知精度等。物理层的信号波形、天线设计、波束赋形均需要适配不同频段的频谱特性。一般而言，频率越高具有更高的带宽及感知精度，但信号衰减越严重，覆盖范围越小。虽然当前5G/5G-A的频谱主要为Sub-6GHz 频段，但后续6G或许将拓展至毫米波、太赫兹，将为通感一体化技术的应用带来更大可能性。
由于当前工信部尚未发放新频段，预计中国移动通感一体试验站以4.9GHz为主，中国电信、中国联通以3.5GHz为主。随着低空经济政策支持力度加大，不排除工信部向三大运营商发放新频段用作通感一体探索。
通信和感知融合的初步阶段
2022年以来，运营商以建设低频段、小通道数基站为主，无法很好的满足通感一体网络对于网络容量、感知精度的要求。当前华为等设备商积极推进5G-A商用，通感融合的探索也就此展开。5G-A 阶段的通感融合的初步探索，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通感融合业务。
当前实现路径：
一是基于多载波或者差异化帧结构：通过升级现有通信设备的通道数及天线阵子数，用不同的载波进行通信和感知处理，提升感知可行性。
二是基于空间隔离的 5G 通感融合设备：通过分割通信和感知的接收和发送模块，从空间隔离度上减少通信对感知的影响，实现全双工有效替代。
通感融合下一阶段
太赫兹位于毫米波和红外频率之间，具有毫米级甚至亚毫米级波长，与其他低频无线电波一样，太赫兹可以穿透某些障碍物，在多种天气和亮度条件下实现高精度传感。太赫兹可实现大于5 GHz的移动频段分配，这将提供更精确的距离分辨率。在短距离通信中，太赫兹级超大带宽还将实现Tbps级数据传输速率，除了可以提供高通信吞吐率，还可以提供高感知分辨率（20mm以下精度），因此太赫兹通感一体化研究极具吸引力。
通感一体网络已在4.9GHz、26GHz完成测试验证
当前产业界网络协作通感一体采用 4.9GHz 、26GHz 频段已完成交通、无人机等场景的测试验证。实测结果显示：
低频（4.9GHz）网络协作通感一体网络在无人机场景下最远感知距离达到2000m，感知距离精度达到米级，可满足低空无人机监管业务需求。在交通场景下真实道路环境最远感知距离达到1000m，感知距离精度达到亚米级，感知角度精度达到1度，感知速度精度达到0.2km/h，可满足高速公路稀疏场景车流量监管等业务需求。提供无人化、浸入式和数字孪生等感知-通信-计算高度耦合业务。
高频（26GHz）协作通感一体网络在无人机场景下可达到1000m的最远探测距离，感知距离精度达到亚米级，可应用于远距离无人机入侵检测、低空安全管理等场景。交通场景下可实现感知范围1000m，亚米级距离精度，0.1km/h速度精度，可应用于交通安全管理、辅助自动驾驶等场景。