0 引言
通信和感知融合或者一体化（ISAC, Integrated Sensing and Communication）做为6G典型技术，学术界、产业界都开展了相关的研究[1-3]。ITU也在最近一次会上明确了6G主要场景，在原有5G增强移动宽带、超高可靠低时延通信和海量机器类通信的基础上额外添加了通信与感知融合、无线AI和无处不在的通信，如图1所示。因此通感融合做为6G主要的场景，其具备较为明确的业务需求，相应地也需要在网络架构、无线空口和组网等方面进行较大的改变，同时还需要与AI和算力等6G普适化技术进行有机结合。
6G通感融合的需求、架构和空口关键技术均需进行系统的研究，目前高校、企业等都开展了相关研究。文献[6-10]介绍了通信和感知融合的可行性，以及通感融合的典型网络架构。文献[11]给出了通感融合技术的理论极限。文献[12-15]介绍了通感融合波型选取的考虑，介绍了OFDM等波型的感知性能。
本文首先介绍了6G的需求，在分析通感融合的典型场景及典型业务需求后，给出了通感融合业务指标与网络指标的对应实例。然后对6G通感融合的架构开展相关的研究，分别基于通感融合“多要素共享、多频段协同以及多节点协作”三大特征给出了三个通感融合架构。再次，对6G通感融合的空口技术和设计进行了分析，最后全面进行了总结。
1 6G通感融合的需求
通感融合技术是业务与通信强融合的新型网络架构，是一种尝试，后续也将与更多的业务进行融合，这个新趋势将改变原来的通信架构和评价体系，因此需要进行典型业务需求及其需要实现的网络保障参数的研究，本节将对业务需求和网络需求进行介绍。
1.1 业务需求
根据ITU通感融合的场景分类，本文在大量的场景和网络特征的基础上，提出了智能导航、智慧姿势识别、智慧跟踪、XR构造四个方向的场景并介绍其特点、部署需求等。
智能导航：随着交通领域联网化、数字化、智能化、云化的趋势，通过汇集道路、车、人的信息来组成城市交通管理和优化的基础，支撑多种交通业务，因此实时可见和更新的导航功能已经成为现在人员出现和交通管理的重要环节。无人化与自主化是智慧导航的主要特征，智慧导航在交通领域中充分运用物联网、云计算等技术，对交通管理、交通运输、公众出行等领域全方面进行管控支撑，使交通系统在区域、城市甚至更大的时空范围具备感知、互联、分析、预测、控制等能力，以充分保障交通安全、发挥交通基础设施效能、提升交通系统运行效率和管理水平。为了完整呈现实时高速路交通状态，及时准确地发现拥堵、事故、道路异常等交通事件，需要在城市路口和关键路段采集视频和多种路侧传感器信息。此外，车路协同是智能导航系统的重要发展方向，需要连接海量交通终端设备，实现视频、雷达等多种交通终端设备的数据采集和数据分析，高效感知路、车、人的实时状态。但当前感知设施部署还面临频谱、性能、成本等众多挑战。在性能指标上来看，智能导航需要进行不低于米级的移动场景下的定位和Gbit/s级的数据下载要求，满足高清地图的下载及车辆追踪和定位。
智慧姿势识别：感知或感知+通信是5G-A、6G 系统开拓新业务的手段，位置识别和姿势识别都是非常重要的通感融合应用场景。比较常见的场景有工业场景、家庭场景和公共场合。工业场景主要考虑工业设备的位置识别和管理为准；家庭场景以人体位置和姿势改变为主，如人员摔倒等方面；公共场合主要考虑有特殊性、管理性等手势和姿势的识别，如交通管理手势。考虑到手势识别的范围可以为大动作识别和微动作识别，大动作主要指整个手臂的大动作，按照动作幅度进行分米级的识别，而微动作识别主要是手部的小动作，感知进度应当为厘米级。
智慧跟踪：是通感融合的主要场景，通信和感知融合后，可以实现对非通信接入设备的跟踪，极大地提升了跟踪业务的机动性。从典型场景来说，智慧跟踪可以分为低空跟踪、地面跟踪和特殊场景跟踪。其中低空跟踪主要指无人机、飞行器等低空漂浮物体的跟踪；地面跟踪主要指车辆行驶、人员移动等场景的跟踪；特殊场景跟踪主要指水下物体、矿井等场景下的人员和物体跟踪。由于跟踪的目标不同，因此需要的精度有较大的差异，设备的类型和典型技术都有较大的差异，感知精度应当满足米级（室外）到分米级（室内）。
XR空间构建：未来，人类的交互方式将由2D交互向更具效率的3D交互转变。3D视觉交互系统则取决于虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）的发展，这些技术统称为“扩展现实”（XR）。相对于传统的2D平面化的场景，XR需要更多的信息内容并进行合理的组合，一方面，一些场景或者应用，如空旷区域感知、多维信息感知采集，现有的技术覆盖局限性和点状定位难以满足2D以上XR技术的要求；另一方面，XR需要获取多种业务联合，形成一个综合的立体多种感官能力的模拟体，这就需要对视频、通信、感知等多个设备提供的数据进行整合，但如果涉及的设备太多太复杂，就无法实时完成数据分析和重新组合。相对地，通感融合系统或者通感算融合系统可以很好地实现这个目标，在空间利用5G、6G广泛部署的无线系统的感知能力，网络能够对二维和三维空间中的目标用户及周围环境及时感知，从而构建元宇宙中多种元素的输入，其做为XR的实时数据收集触手，是实现典型孪生世界的关键技术。其感知精度同样需要满足米级（室外）到分米级（室内）。
1.2 网络需求
相应的通感融合业务需求是从业务自身需求本身提出的，其还需要与网络的需求相匹配，根据ITU提出的15项技术指标，很明确地给出了6G需要关注的网络指标，如图2所示，这些指标将极大地影响和指导网络建设。本节将从6G通感融合的角度给出典型业务场景的网络需求。
为每个业务提炼关键能力，能够更清晰地揭示6G在感知融合领域的潜力和优势。通过关注这些相关的关键能力，可以更好地理解6G技术对于通信和感知融合典型应用的重要性。表1重点突出了多个通感融合场景下典型业务的核心需求：
2 6G通感融合架构研究
通感算融合网络的核心特征已经较为明确，可以梳理为三大核心特征，即多要素共享、多频段协同以及多节点协作，但目前6G的网络架构尚未明确。因此对6G通感融合的架构研究需要从这三大核心特征入手，将高效能的多要素共享、高协助度的多个频段协同和丰富的多节点协同的技术特征融合到6G通感融合架构中，打造多层/多域互动、多频协作和多节点网元互助的网络架构。
2.1 面向通信-感知-智能-算力-N融合的6G网络架构
网络架构是6G通感融合的骨架，需要考虑从多个层或者多个域进行功能划分，并打通各个层/域间的联系。此外6G未来发展中，感知与通信的融合仅仅可以表示为业务和网络融合的基本概念，还可能与其他业务融合，如无线传能等，因此在构建多层网络架构中需要考虑业务类别开放式的研究，如图3所示，给出了通信+感知+传能的网络架构，从分层的概念入手，给出了应用域、控制域、资源域和终端域四个层次，并将算力和AI与业务结合，旨在实现跨层跨域设计、网络统一编排管理，实现能力与架构的深度耦合。以从下至上的域间关系分析：终端域负责弹性、按需地将终端资源纳入到通感+N体系中，实现灵活交互协作。资源域通对基站、核心网等网络实体进行编排实现网络柔性层，连接物理节点, 形成有机通感+N网络。控制域是智慧化网络管理的实体，能够内生通信、感知、计算、AI、安全等多维能力。应用域通过构建OSS网络智能应用平台和开发接口，实现业务与网络的结合。
2.2 基于多频协作的通感融合网络架构
6G部署未来是多个频段共存的，这需要考虑高频频段的发放和低频频段的重耕带来的频段复杂性和复合型特征。从6G多频构建中，低频段是深度覆盖，满足Mbps级基本通信需要，广域无源物联技术来实现对有标签设备的感知；中频段主要用于连续覆盖、中高速通信以及粗颗粒度（米级）、广域范围的信息探测；高频按需开启，进一步提升通信速率和感知分辨率（亚米级）[5]。
在组网中需要综合考虑高频基站和低频基站的高效结合。高频基站需要考虑设备的高集成化、小型化、性能的进一步提升，以及通信能力与感知能力均衡等关键问题，同时考虑智能化处理单位的引入，实现高精度智能化的高频通感融合样机。中低频通感融合样机需要平衡通信和感知的承担情况和感知能力极限，从现在频率的高负荷现状出发，考虑通过多基站或者多频协调组网实现通感融融合的负荷分担，构建可感知强通信的基础通感样机及组网模式。如图4所示，给出了面向多频协调的通感融合网络架构，在架构中体系中体现了sub10 G频段与毫米波频段、THz频段协同处理的关系。
2.3 基于多节点协同部署的6G通感融合架构
在通感融合/一体化无线网络架构设计中，需要按照不同的部署应用场景来实现多节点的有机协同，打造差异化分布式能力的通感融合网络架构。具体可以划分为如下3个主要的架构。
（1）本地边缘感知架构（如图5所示）：控制域算力模块与资源域模块设置在基站内，完成一个本地化基站+简单服务器的区域化通感融合泛在基站-平台系统。
（2）核心网集中感知架构（如图6所示）：控制域算力模块与核心网感知网元等联合部署，完成感知数据分析和多基站下通感融合资源配置，基站进行透传处理。
分布式感知架构（如图7所示）：分别在基站和核心网都部署算力模块。架构需要构建分布式、以用户为中心的6G无线网络。在架构部署中需要满足控制域算力模块与核心网感知网元等联合部署，完成感知数据分析和多基站下通感融合资源配置；资源域模块与RAN联合部署，完成基站内部的通感资源配置和简单的感知数据处理。
3 6G通感融合空口的设计
在通感融合中，空口是实现通感融合的基础，其中波形、信道构建、帧结构和天线技术等空口技术都有较大的研究难度，是决定通信和感知融合可行性的关键。
3.1 新型通感融合波形研究
通信感知融合系统利用共享的信号波形、频谱资源、硬件资源同时实现通信和感知功能，其中通信感知融合信号设计是通信感知融合系统的研究重点。在通信感知融合的不同演进阶段，通信感知信号融合的紧密程度有所不同。融合程度最低的通感信号通过时分/频分/空分/码分等方式复用资源，实现通信和感知两种功能，即通信和感知占用相互正交的资源，这是一种“松耦合”的通信感知融合信号。随着对通感融合技术研究的深入，通感信号的融合程度会逐渐加深，到最终实现完全统一的、“紧耦合”的通感融合信号，即一种波形同时实现通信和感知两种功能。在6G研发中，需要开展适用于通信感知融合的新波形研究，可以考虑是OFDM+雷达波形的复合波形，也可能是完全新型的包含通感需要的深度融合波形。
3.2 面向通感融合的信道建模研究
在传统通信系统信道建模中，通信信道建模方法大致可分为三类，即统计性信道模型、确定性信道模型和半确定性信道模型。当前业界广泛采用的3GPP标准化建模方法属于统计性信道模型中的信道冲激响应建模法，信道冲激响应建模法对多条子径的角度、时延和功率信息等进行建模。这种方法依旧可以用于通信感知场景的信道建模，但是由于感知会产生较多的用于感知的反射径，因此在已有的通信信道标准化建模方法基础上进行改进得到通感信道建模方法是较为实际的，而具体的改造方向与感知业务对信道的需求有关，其需求包括增加不同的感知模式、定义感知目标、增加感知参数、多感知目标建模等。
在场景选择中，通感信道相比于通信信道的服务场景选择外，还需要对感知模式进行选择，感知模式分为A发A收和A发B收。图8为建模的示意图：
3.3 面向通感融合的帧结构研究
相对于通信来说，感知需要同时且连续的发送和接收数据，这样才能实现高质量的感知需求。因此在以通信系统为通感系统的基础上，需要开展通信与感知融合帧结构的研究，且后续会出现多频感知的要求。通信模式和参考信号是通感的帧结构重要的组成部分。从通信模式角度来说，通感融合将对现有的通信模式进行延续，将是TDD或者FDD或者全双工类型。从参考信号来分析，现有通信网络中的参考信号主要是为了估计信道，实现数据通信，但对感知而言, 参考信号的设计要求是为了识别目标、提升感知精度，因此需要考虑通信感知在必要参考信号的研究，实现高质量的通信和感知能力。
3.4 面向通感融合的天线及波束赋形技术研究
超大规模天线是6G中一个较为明确的研究方向，可以最大化空间可用性，回顾无线通信和无线电传感的发展，多输入多输出（MIMO）技术在其发展中发挥着重要作用。MIMO将资源利用扩展到空间领域，从而大大提高了通信速率和感知分辨率。毫无疑问，MIMO也将是一个ISAC的关键技术。然而，MIMO本质上带来了在开销和处理复杂性方面的维度问题。如何有效地利用MIMO来构建一个高效的ISAC网络尚未得到充分的讨论。在文献[16]给出了三种新型的ISAC MIMO模型，即协同MIMO、动态3D MIMO和联合主动与被动MIMO，给出了通感融合与MIMO技术的新方向，可以为后续研究提供较大的研究空间。
4 结束语
通信和感知融合或者一体化是典型的6G技术，也是可以在5G-A阶段进行先行先试的典型业务。通信和感知一体化或者融合是一个循序渐进的过程，尤其在6G的研究刚刚开始，需要进一步挖掘典型场景、开展架构和评价方法、空口技术的全面研究，本文给出了一些研究的方向，后续还将从理论分析、实物研究和仿真等多个方面开展更为深入的研究。
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★原文发表于《移动通信》2023年第9期★
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20230719-0001
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2023)09-0011-06
引用格式：杨艳,张忠皓,李福昌. 6G通感一体化组网理念及关键架构研究[J]. 移动通信, 2023,47(9): 11-16.
YANG Yan, ZHANG Zhonghao, LI Fuchang. Concept and Key Architecture of 6G Integrated Sensing and Communication[J]. Mobile Communications, 2023,47(9): 11-16.
作者简介
杨艳：正高级工程师，博士毕业于北京邮电大学，现任职于中国联合网络通信有限公司研究院，主要从事无线通信关键技术研究工作。
张忠皓：正高级工程师，博士毕业于北京邮电大学，现任职于中国联合网络通信有限公司研究院，主要从事6G无线通信关键技术研究工作。
李福昌：正高级工程师，博士毕业于哈尔滨工程大学，现任职于中国联合网络通信有限公司研究院，主要从事无线通信关键技术研究工作。
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