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ISAC通信感知一体化介绍

  通信感知一体化(Integrated Sensing and Communication,ISAC)是移动通信的重要候选技术之一,旨在将通信和感知功能集成在同一个无线系统中,以实现资源的高效利用和性能的提升。ISAC技术通过共享频谱和硬件资源,能够同时完成可靠的多设备通信和准确的感知任务,从而提高频谱效率、降低系统成本和功耗。

  ISAC技术的核心在于促进雷达和通信之间的频谱和硬件共享,优化资源分配,并在感知和通信之间创造协同作用。这种技术不仅可以提高资源利用率,减少基础设施开销,还能增强通信和感知各自的性能。例如,在车联网和无人机监控等场景中,ISAC技术可以提供测速、测距、定位、目标成像及识别等全新的感知能力。

  此外,ISAC技术还涉及到智能超表面(RIS)的应用,通过智能地控制传播环境,进一步提升网络的容量和覆盖范围。在硬件设计方面,ISAC需要应对多频段、大带宽等挑战,对硬件的要求较高。

  ISAC技术作为移动通信关键技术之一,具有广阔的应用前景和重要的研究价值,正在学术界和产业界得到广泛关注和积极研究。

  一、 ISAC通信感知一体化的最新进展

  ISAC(通信感知一体化)技术的最新研究进展主要集中在以下几个方面:

  •   基础理论与性能极限:最新的研究进展包括对ISAC基础理论、太赫兹ISAC、成像与通信一体化、光学启发ISAC、泛在感知以及ISAC理论性能极限等方面的探讨。
  •   硬件设计与验证:在硬件设计方面,已有研究对通感一体化的硬件设计及其验证方案进行了归纳总结,并展望了未来的发展趋势,以加速通感一体化理论和算法的落地应用与产业化进程。
  •   应用场景与技术路线:通信感知一体化技术的发展趋势分为三个阶段:业务共存、功能融合和智能优化。这些阶段展示了从初始阶段的通信系统与感知系统的集成,到后续的功能融合和技术优化的过程。
  •   无线跨域感知:无线感知技术利用现有的通信设备或网络实现对周围环境的智能感知,成为通信感知一体化领域的研究热点。尽管取得了丰硕成果,但仍面临感知精度低和鲁棒性差等挑战。
  •   车联网应用:在车联网领域,通信感知一体化技术被视为实现智慧出行和智慧交通的重要技术之一。随着感知与通信功能的蓬勃发展,通信感知的融合设计成为当前的研究热点。
  •   原型验证:基于单节点的通信感知一体化原型系统在定位、环境制图、成像、波形设计和波束追踪等方面的研究进展和实测性能也得到了总结和展示。
  •   商用Wi-Fi设备:随着Wi-Fi部署的普及和Wi-Fi感知技术的发展,商用Wi-Fi设备同时具备感知和通信功能,即Wi-Fi感知通信一体化(ISAC),已成为当务之急。

  二、 如何解决ISAC技术在硬件设计上的多频段和大带宽问题

  解决ISAC技术在硬件设计上的多频段和大带宽问题,可以采取以下几种方法:

  •   相干接收技术:通过相干接收技术实现面向多频段/多用户场景的通信接收和解调。例如,在实验中,实现了传输Ka波段和V波段无线信号的光子毫米波ISAC系统。
  •   OFDM波形设计:基于OFDM(正交频分复用)波形感知特性,通过理论和仿真计算相结合,分析不同频率和带宽下波形参数设计的影响,以指导太赫兹OFDM通信感知一体化(ISAC)系统设计。
  •   大规模MIMO技术:利用大规模天线阵列极大地拓展了阵列孔径,为感知提供了更高的空间分辨力和更强的抗干扰能力。结合大规模多天线技术,进一步发展通信感知一体化定位技术。
  •   智能超表面:使用智能超表面来支持未来6G网络对高速率无线通信、高精度感知能力和海量设备接入的需求,通过共享通信系统和雷达系统的频谱等资源来解决日益严重的频谱拥塞问题。
  •   集成传感和通信基础设施:通过集成传感和通信基础设施,使用更宽的频段来满足高分辨率传感和高数据速率无线通信的需求,从而有效缓解频谱拥塞问题。
  •   联合信号处理策略:传感和通信系统可以通过相同的硬件平台、公共频谱、联合信号处理策略和统一的控制框架来进行联合设计、优化和调度。
  •   混合智能反射面(RIS)辅助:通过混合智能反射面辅助的波束成形设计,显著提高系统频谱效率的同时降低硬件成本和系统能耗。

  三、 ISAC技术在车联网和无人机监控等场景的应用

  ISAC(集成传感与通信)技术在车联网和无人机监控等应用场景中的具体实现方式如下:

  1. 车联网

  •   通信与感知一体化:ISAC技术通过同一硬件和信号波形同时实现通信与雷达感知,有效减少车载通信与雷达间的干扰。
  •   端到端信息处理与原生感知能力:ISAC为未来通信系统提供端到端的信息处理能力和原生感知能力,辅助的车联网(V2X)可以通过互通和同步感知来提高交通效率和安全性。
  •   复杂杂波场景下的应用:在车联网中,ISAC系统可以利用毫米波大规模MIMO系统进行感知辅助,以应对复杂的杂波环境。
  •   道路和环境识别:在车联网场景中,ISAC需要对道路本身和环境进行识别感知,以确保车辆位置、速度等信息的准确获取。

  2. 无人机监控

  •   地面网络与无人机的结合:利用地面网络对无人机同时提供通信与感知服务,加强对无人机的监管。这种方式可以在无人机上利用一套设备同时完成通信与感知功能,降低无人机平台上的载荷,提高其灵活性和可控性。
  •   自适应集成传感和通信机制:在无人机赋能系统中,提出了一种新颖的自适应ISAC(AISAC)机制,其中无人机在通信过程中按需进行感知,并且感知持续时间根据应用需求灵活配置。

  四、 智能超表面(RIS)在ISAC技术中是如何应用

  智能超表面(RIS)在信息共享接入通信(ISAC)技术中的应用主要体现在其通过动态调整波束方向和覆盖范围来提升网络容量和覆盖范围。具体来说,RIS技术可以通过以下几种方式实现这一目标:

  •   动态波束赋形:RIS采用基站RIS动态协同波束赋形算法,能够实现最大±60°的波束扫描,并且当终端在RIS覆盖范围内移动时,RIS可以根据用户所在位置实时调整最优的波束方向,确保终端始终连接到最强的可用链路上。
  •   信号波束调整:RIS可以根据用户分布灵活地调整无线环境中的信号波束,显著改善现网弱覆盖区域的信号强度、网络容量和用户速率。这有助于缓解网络拥堵和提高用户体验。
  •   减少信号衰减和干扰:RIS技术可以减少信号衰减、多径衰落和干扰,从而提高信号质量,扩大覆盖范围,并提高数据速率。
  •   低成本和低能耗:RIS具有低成本、低能耗、可编程、易部署等特点,能够在不增加硬件成本的情况下,通过数字编码对电磁波进行主动的智能调控,实现对5G信号的可控管理。
  •   支持移动场景下的无缝连接:在多天线方面,RIS结合MIMO技术,可以有效地解决超高频的波束阻挡问题和小区边缘覆盖差问题,支持移动场景下的用户无缝连接。

  五、 ISAC技术与6G移动通信的其他关键技术对比

  ISAC(通信感知一体化)技术在6G移动通信中具有独特的优势和潜在的局限性。

  1. 独特的优势

  •   频谱效率提升:ISAC技术能够在通信与感知之间共享频谱、硬件平台,乃至基带波形和信号处理,从而显著提升系统的频谱效率。
  •   能量效率提高:通过整合通信和感知功能,ISAC能够更有效地利用能量资源,减少能耗。
  •   硬件效率优化:ISAC技术可以共享硬件资源,减少设备的复杂性和成本。
  •   实时监测和控制:ISAC集成了各种传感器(如温度、颗粒、压力和运动传感器)与无线通信系统,实现对物理系统的实时监测和控制。
  •   优势互补:ISAC技术实现了感知和通信的集成,能够相互补充,提高网络的整体性能。

  2. 潜在的局限性

  •   技术复杂性:ISAC技术需要深度融合无线通信与射频感知功能,这增加了系统设计的复杂性。
  •   性能极限挑战:尽管ISAC技术有潜力达到性能极限,但目前仍面临一些基本局限性,需要进一步的研究和改进。
  •   技术融合难度:将传统的无线电感测(例如雷达感测和无线定位)与ISAC融合到一个统一的框架中,仍是一个挑战。

  ISAC技术在6G移动通信中具有显著的优势,特别是在频谱效率、能量效率和硬件效率方面。

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