通感一体化技术原理

  通感一体化技术是一种将通信系统与感知系统融合在一起的技术,旨在实现通信和感知功能的同时进行。其基本原理是通过在通信系统中增加感知功能,使得通信基站和终端不仅能够进行传统的数据传输,还能对周围环境进行感知和监测。

  具体来说,通感一体化技术利用通信系统的硬件资源、频谱资源和处理单元来接收和处理感知信号,从而实现类似雷达的感知能力。这种技术的关键在于干扰消除、信道估计和波束选择等关键技术。例如,在5G-A(5G Advanced)通感一体化技术中,通过正交频分复用(OFDM)波形等技术手段,可以有效地提高感知距离、感知分辨率和感知精度。

  此外,通感一体化技术还涉及到智能超表面(RIS)的应用,通过辅助无线通信系统和雷达感知系统的工作原理,进一步提升系统的性能和应用范围。这种技术不仅具有高效、灵活和安全的特点,还在低空经济、智慧交通等领域展现出巨大的应用潜力。

  通感一体化技术通过将通信系统与感知系统相结合,充分利用现有通信基础设施,实现了通信和感知功能的无缝融合,为各种应用场景提供了强有力的技术支持。

  一、 通感一体化技术在5G-A中的具体应用和优势是什么?

  5G-A(5G Advanced)通感一体化技术在不同应用场景中具有广泛的应用前景和显著的优势。具体应用包括低空经济、智慧交通、智能制造等领域。在低空经济中,通感一体化技术能够解决建筑密集、卫星导航信号稳定性差、雷达密集部署经济性差等问题,支持多目标探测和跨区域完整航迹的连续跟踪与上报,为低空运输和安防提供网络支持。

  5G-A通感一体化技术的具体应用还包括智能交通系统。通过利用无线信号,该技术可以对车辆、行人、无人机等物体实现精准感知,从而将传统移动通信功能与感知能力相结合,构建低成本、亚米级精度、无缝泛在的通感一体系统。此外,通感一体化技术还能够实现通信与感知两网信息的协同交互,优化通信环境和感知性能,提升整体网络性能。

  通感一体化技术的优势主要体现在以下几个方面:

  •   缩小感知盲区:通过5G+多基站协同探测方式,可以实现整个区域的全覆盖,减少感知盲区。
  •   成本效益:基站覆盖率较高,不需要重复建设,只需增加一个面向空域的通信基站即可,部署快且成本低。
  •   频谱资源优化:通过复用一套设备构建两张网络,实现通信与感知两种业务的深度融合,拓展通信网络的功能边界,提升频谱效率。
  •   智能化和交互性:通感一体化技术具有多感官性、自然性、交互性和智能化等特点,能够更好地满足现代网络建设的需求。

  二、 如何提高通感一体化技术的性能?

  通过干扰消除、信道估计和波束选择等关键技术,可以显著提高通感一体化技术的性能。以下是详细的分析:

  干扰消除是确保通信系统正常运行的关键技术之一。在全双工无线通信系统中,自干扰消除技术尤为重要。具体方法包括自然隔离、时域消除和空域抑制。其中,空域抑制可以通过天线选择和波束选择来实现。例如,在无人机通信场景中,基于正交频分复用(OFDM)的通信感知一体化系统可以通过建立回波模型来进行自干扰消除,从而提高系统的感知性能。

  信道估计是无线电传输系统中用于估计信号在传输通道中的衰减和失真的一种技术。常用的信道估计方法包括最小均方误差(MMSE)、最小二乘(LS)估计和基于导频的估计。此外,深度学习技术也被应用于信道估计,展示了超越传统算法的性能,特别是在毫米波大规模MIMO系统中。这些方法能够为接收机提供准确的信道状态信息(CSI),从而提高通信系统的整体性能。

  波束选择是通过选择合适的波束方向来优化信号传输和接收的技术。在多输入多输出(MIMO)系统中,波束选择可以有效地抑制干扰并提高信号质量。例如,空域抑制中的波束选择技术可以在MIMO系统中减少干扰,从而提高系统的通信性能。

  通过结合干扰消除、信道估计和波束选择等关键技术,可以显著提高通感一体化技术的性能。

  三、 智能超表面(RIS)在通感一体化技术中的作用

  智能超表面(RIS)在通感一体化技术中起着至关重要的作用,并显著提升了系统的性能。RIS通过灵活部署在无线通信传播环境中,能够对反射或折射电磁波的频率、相位和极化等特征进行操控,从而重塑无线信道。这种能力使得RIS能够在通信和感知一体化系统(ISAC)中发挥重要作用。

  RIS能够提高波束模式增益性能,这对于提升ISAC系统的整体性能至关重要。例如,RIS可以通过调整反射元素的数量和入射角度来优化波束增益,从而增强信号的质量和覆盖范围。此外,RIS还可以通过联合优化基站和RIS的波束成形以及通感时间分配比例,进一步提升通信速率和系统效率。

  RIS在减少高频信号的穿透损耗和阻挡方面也表现出色。例如,三星的研究表明,RIS技术可以将信号强度提升4倍,并精准导向或反射至指定方位,从而减少信号损失。这在毫米波通信中尤为重要,因为毫米波容易受到阻挡和散射的影响。

  此外,RIS还具有干扰抑制的功能,可以在低功率传输的同时进行多路信号的智能反射,有助于实现大规模的D2D通信。这种特性使得RIS在物联网中的应用前景广阔,能够有效支持无线功率和信息的传输。

  智能超表面(RIS)在通感一体化技术中通过重塑无线信道、优化波束增益、减少信号损耗和干扰抑制等功能,显著提升了系统的性能。

  四、 低空经济和智慧交通领域通感一体化技术的应用

  在低空经济和智慧交通领域,通感一体化技术的应用案例包括以下几个方面:

  低空无人机感知与管理

  2022年8月,中国联通与中兴通讯合作,在上海成功完成了一项针对低空无人机的通感算控一体化测试验证。这项测试模拟了低空园区安全防护的应用场景,利用24 GHz毫米波单AAU实现了无人机的感知与管理。

  2024年5月8日,5G-A通感一体化技术被应用于港口船舶监测、车辆管理等领域,提升了监测能力及管理效率。

  智慧机场

  2024年4月11日,5G-A智慧机场通感基站开通后,在低空区域可实时感知并跟踪机场范围内无人机、飞鸟等的活动,在陆地区域感知人员、车辆等的活动,提供实时交通信息和安全保障。

  智慧道路

  2023年10月2日,中国移动提出基于5G-A通信感知一体的盲区预警车路协同解决方案,将通感一体技术应用于交通场景,实现道路感知与车辆管理。

  2024年1月4日,云南移动联合中兴通讯完成了业界首个5G-A通感技术在“陆空”领域的应用,该基站可同时支持地面车辆感知、低空无人机感知以及通信业务,在站点的覆盖范围内精确感知无人机以及多车流复杂环境下的目标车辆的行驶。

  其他应用场景

  2024年12月,四川移动携手华为在成都市郫都区西芯大道完成了西部首个5G-Advanced(5G-A)通感一体智慧道路试验,通过5GA通感一体技术成功对道路人员和车辆完成实时定位、速度感知和轨迹感知,充分验证了5GA通感一体技术在智能车联领域应用的技术可行性。

  五、 通感一体化技术面临的主要挑战和解决方案是什么?

  通感一体化技术面临的主要挑战和解决方案如下:

  1. 主要挑战

  基础理论挑战

  通感一体化的最初目标是提升频谱利用效率和硬件效率,但目前在统一的一体化性能指标方面仍存在理论挑战。

  在通感联合性能评估、一体化波形设计、一体化波束成形设计以及一体化参数估计等方面,当前研究尚处在初期阶段,面临诸多挑战。

  低复杂度方案与工程设计挑战

  尽管在技术方案与原型设计等方面不断取得突破,但在低复杂度方案与工程设计上仍面临挑战。

  标准化进展

  通感一体化技术的标准化进展尚未完全成熟,这影响了其广泛应用和推广。

  技术与商业挑战

  从理论到实践,通感一体化技术需要克服技术和商业上的多重挑战,以实现从实验室到市场的转变。

  2. 解决方案

  加强基础理论研究

  需要深入研究和统一通感一体化的性能指标,以解决现有的理论挑战。

  推进低复杂度方案与工程设计

  通过技术创新和优化设计,降低通感一体化系统的复杂度,提高其工程应用的可行性。

  加快标准化进程

  加强学术界与产业界的合作,推动通感一体化技术的标准化进程,以便更好地推广和应用。

  综合运用多种技术

  通过复用一套设备构建两张网络,实现通信与感知两种业务的深度融合,拓展通信网络的功能边界。

  智能化演进路径

  探索通感算智能化演进的路径,促进通感算一体化网络技术的研究和发展,推动其走向成熟与商用。

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