6G通信感知一體化系統(tǒng)的性能指標(biāo)

江甲沫 韓凱峰 徐曉燕

摘要：面向6G通信感知一體化（ISAC）系統(tǒng)，從業(yè)務(wù)共存、能力互助、網(wǎng)絡(luò)共惠3個(gè)階段研究了技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)，明確給出各階段的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和性能指標(biāo)需求。從通信性能、感知性能、資源分配和應(yīng)用場(chǎng)景等維度，提出影響6G ISAC系統(tǒng)性能的四維邊界因素。基于提出的通感效率和通感效用兩個(gè)新的性能指標(biāo)，仿真評(píng)估了典型場(chǎng)景下的通信感知一體化系統(tǒng)性能，為后續(xù)進(jìn)一步開(kāi)展6G ISAC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和評(píng)估驗(yàn)證工作提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：ISAC；性能指標(biāo)；效率；效用

Abstract： The development of 6G integrated sensing and communication （ISAC） systems is studied from three stages： traffic coexistence， ca？ pability cooperation， and network mutualism. The target of system design and requirement of performance metrics are proposed. The influ？ ence factors called four-dimension boundary factors of ISAC are presented in the four aspects： communication performance， sensing perfor？ mance， resource allocation， and application scenario. Based on two new performance metrics called ISAC efficiency and utility， the perfor？ mance of ISAC is simulated in typical scenarios. Some key suggestions for system design and evaluation are proposed for the evolution of 6G ISAC.

Keywords： ISAC； performance metric； efficiency； utility

未來(lái)6G將向毫米波、太赫茲等更高頻段發(fā)展，與感知頻段逐步交疊，孕育并催生通信感知一體化技術(shù)，以賦予6G網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地感知物理世界的能力[1]。作為新一代智能化綜合數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施，6G將與先進(jìn)計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)交叉融合，實(shí)現(xiàn)通信與感知、計(jì)算、控制的深度融合，逐步具備泛在互聯(lián)、普惠智能、多維感知、全域覆蓋、綠色低碳、內(nèi)生安全等典型特征[2]。在6G的典型場(chǎng)景和業(yè)務(wù)中，通信感知融合將成為具有代表性的新增場(chǎng)景和新型業(yè)務(wù)。6G通信感知一體化技術(shù)將利用無(wú)線通信信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)、定位、識(shí)別、成像等感知功能，進(jìn)而獲取和重構(gòu)周圍的環(huán)境信息，推動(dòng)6G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入物理世界和數(shù)字世界融合的數(shù)字孿生時(shí)代。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）面向2030的未來(lái)技術(shù)趨勢(shì)研究報(bào)告指出，通信感知一體化技術(shù)將成為新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)最有潛力的關(guān)鍵技術(shù)方向之一[3]。

對(duì)于6G通信感知一體化系統(tǒng)的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)，業(yè)界進(jìn)行了多種探索。一方面，在通信感知一體化系統(tǒng)的通信和感知功能并存場(chǎng)景下，在保證通信或者感知功能性能需求的同時(shí)，對(duì)另一部分功能的性能進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[4]提出了在保證用戶需求的信干噪比的情況下，最小化通信感知一體化系統(tǒng)的克拉美羅界（CRB），進(jìn)而提升通信感知一體化系統(tǒng)的感知性能。另一方面，考慮是否有新的性能指標(biāo)定義形式，綜合表征通信感知兩種功能的聯(lián)合性能。例如，部分學(xué)者基于感知互信息與時(shí)間的比值提出“估計(jì)速率”的概念[5]。文獻(xiàn)[6]研究了基于頻率資源復(fù)用的通信天線和感知天線的位置排列問(wèn)題，提出了以最大化互信息（MI）作為優(yōu)化目標(biāo)的思路。文獻(xiàn)[7]提出了將傳統(tǒng)通信指標(biāo)和感知指標(biāo)以加權(quán)的方式作為通感一體化的聯(lián)合指標(biāo)的方法，并設(shè)計(jì)了“加權(quán)頻譜效率”的新指標(biāo)。該指標(biāo)由通信容量和估計(jì)速率加權(quán)構(gòu)成。文獻(xiàn)[8]則以誤碼率和CRB加權(quán)作為新指標(biāo)，研究了以最小化該指標(biāo)為目標(biāo)的波形設(shè)計(jì)方案。在組網(wǎng)技術(shù)方面，部分學(xué)者提出了“移動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)”組網(wǎng)概念[9]，探討了通信感知一體化系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層面的性能指標(biāo)。但總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于6G通信感知一體化性能指標(biāo)的研究，業(yè)界尚未形成共識(shí)。

目前，面向6G通感一體化的研究還存在融合演進(jìn)路徑不清、聯(lián)合性能刻畫維度模型難以建立、關(guān)鍵性能指標(biāo)缺失等問(wèn)題。為此，我們?cè)诘?章中，基于通信與感知能力協(xié)同水平，研究了“業(yè)務(wù)共存、能力互助、網(wǎng)絡(luò)共惠”通感一體化融合演進(jìn)路徑，以明確各演進(jìn)階段系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和性能指標(biāo)需求；在第2章中，依據(jù)效率、可靠性、網(wǎng)絡(luò)化等指標(biāo)類型，對(duì)通信和感知性能指標(biāo)進(jìn)行梳理和分類，并基于“通信性能、感知性能、資源分配、應(yīng)用場(chǎng)景”等4個(gè)維度，提出刻畫通感一體化業(yè)務(wù)共存階段的性能邊界體系架構(gòu)，為通感性能極限等理論研究提供分析框架；在第3章中，創(chuàng)新地提出“通感效率”指標(biāo)和“通感效用”指標(biāo)，分別刻畫單位感知精度下的可達(dá)通信容量以及最優(yōu)通信和感知性能的可實(shí)現(xiàn)程度，并針對(duì)典型通感業(yè)務(wù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，為開(kāi)展6G通感評(píng)估與測(cè)試工作提供重要參考；最后在第4章中對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，并提出下一步的研究方向。

1通感性能指標(biāo)的需求

在6G通信感知一體化的技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，通信與感知將分階段、分層次融合演進(jìn)，其技術(shù)趨勢(shì)主要包括業(yè)務(wù)共存、能力互助、網(wǎng)絡(luò)共惠3個(gè)階段（圖1所示）。基于以上3個(gè)階段的發(fā)展，最終6G的內(nèi)生感知能力將得以實(shí)現(xiàn)。在通信感知一體化技術(shù)發(fā)展的不同階段，面對(duì)不同的技術(shù)關(guān)注點(diǎn)和業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)性能也有不同的優(yōu)化方向。因此，我們應(yīng)考慮不同的通信感知一體化系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

（1）根據(jù)可用資源刻畫最優(yōu)性能邊界及可達(dá)性能域。資源分配維度主要包括時(shí)域、頻域、空域、碼域、能量域等可用資源維度。在給定資源條件下，根據(jù)資源分配策略來(lái)權(quán)衡通信與感知性能，并由此刻畫出在該資源條件下的最優(yōu)性能邊界及可達(dá)性能域。

（2）針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇適配的性能指標(biāo)組合。感知性能指標(biāo)與感知業(yè)務(wù)場(chǎng)景強(qiáng)相關(guān)，因此需要根據(jù)不同的通感應(yīng)用場(chǎng)景，靈活選擇適宜的通信和感知性能指標(biāo)組合。

（3）在給定有限可用資源的情況下，需要著重研究并定義“通感效率/效用”指標(biāo)。在考慮不同通感技術(shù)方案的橫向優(yōu)劣對(duì)比時(shí)，建議在給定可用資源的情況下，比較可達(dá)感知和通信的性能，即比較不同技術(shù)方案的“通感效率/效用”指標(biāo)。

3.1新性能指標(biāo)的定義

本節(jié)首先給出通感效率和通感效用兩個(gè)關(guān)于6G通信感知一體化的性能指標(biāo)新定義。

（1）通感效率指標(biāo)

圖6給出了通感效率隨著導(dǎo)頻數(shù)量的變化趨勢(shì)曲線。特別地，當(dāng)信噪比設(shè)置為20 dB，κ設(shè)置為0.1時(shí)，如圖6所示，測(cè)距和測(cè)速的通感效率均隨著導(dǎo)頻數(shù)量的增加呈現(xiàn)先增大至最大值后遞減的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)導(dǎo)頻數(shù)量較少時(shí)，增加導(dǎo)頻數(shù)量可以提升感知的準(zhǔn)確度。此時(shí)提升信道估計(jì)的精度可以增加信道容量，從而提高通感效率。然而，當(dāng)導(dǎo)頻數(shù)量足夠多時(shí)，信道估計(jì)的精度和感知的準(zhǔn)確度趨于飽和。繼續(xù)增加導(dǎo)頻數(shù)量會(huì)使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)目捎觅Y源減小，降低信道容量，進(jìn)而降低通感效率。因此，我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)并優(yōu)化導(dǎo)頻分配方案來(lái)提升通感一體化系統(tǒng)的通感效率。

圖7（a）和圖7（b）分別給出了測(cè)距通感效率和測(cè)速通感效率隨信噪比的變化趨勢(shì)曲線。特別地，當(dāng)載波波長(zhǎng)設(shè)置為λ= 5 mm時(shí)，如圖7所示，相較于固定導(dǎo)頻數(shù)的3種方案，最優(yōu)的導(dǎo)頻分配方案能夠始終實(shí)現(xiàn)通感效率的最大化。如圖7（a）所示的測(cè)距通感效率，當(dāng)信噪比較低時(shí)，為實(shí)現(xiàn)通感效率的最大化，一定數(shù)量的導(dǎo)頻資源是必要的；當(dāng)信噪比較高時(shí)，隨著信道估計(jì)增益和感知精度的飽和，較少導(dǎo)頻資源開(kāi)銷能夠提供更優(yōu)的通感效率。如圖7（b）所示的測(cè)速通感效率，少量導(dǎo)頻資源的分配方案在全信噪比下獲得的通感效率都較低；大量導(dǎo)頻資源的分配方案獲得的通感效率會(huì)隨著信噪比的增加而緩慢提升，這說(shuō)明測(cè)速業(yè)務(wù)需要合適數(shù)量的導(dǎo)頻資源以實(shí)現(xiàn)通信業(yè)務(wù)和感知業(yè)務(wù)間的性能平衡。此外，從圖7（a）和圖7（b）還可以看出：對(duì)于不同的感知業(yè)務(wù)，導(dǎo)頻的最優(yōu)分配方案也存在著顯著的差異，因此不同業(yè)務(wù)需要定制化設(shè)計(jì)資源分配方案。

圖8（a）和圖8（b）分別給出了測(cè)距通感效用和測(cè)速通感效用隨導(dǎo)頻數(shù)量的變化趨勢(shì)曲線。如圖8（a）所示的測(cè)距通感效用曲線，當(dāng)η= 0.4時(shí)，由于更側(cè)重于業(yè)務(wù)的感知功能，通感效用在將全部資源用作導(dǎo)頻時(shí)取得最大值。然而此時(shí)通信業(yè)務(wù)不能正常進(jìn)行，因此需要設(shè)置一個(gè)保障通信功能正常運(yùn)行的閾值。當(dāng)η= 0.5時(shí)，業(yè)務(wù)的通信功能和感知功能并重，此時(shí)可以通過(guò)設(shè)計(jì)導(dǎo)頻資源分配的優(yōu)化方案使系統(tǒng)的通感效用達(dá)到最大。當(dāng)η= 0.6時(shí)，由于更側(cè)重于業(yè)務(wù)的通信功能，通感效用在導(dǎo)頻數(shù)量較少時(shí)取得最大值，為了滿足感知業(yè)務(wù)的測(cè)參精度要求，也需要設(shè)置一個(gè)保障感知功能正常運(yùn)行的閾值。如圖8（b）所示，測(cè)試通感效用曲線包含極大和極小兩個(gè)峰值。為了避免過(guò)多的性能資源浪費(fèi)，我們?cè)谶M(jìn)行通感一體化設(shè)計(jì)時(shí)需要規(guī)避極小值區(qū)間的可行資源分配方案。

4結(jié)束語(yǔ)

通信感知一體化技術(shù)已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是6G通信系統(tǒng)中最具潛力的關(guān)鍵技術(shù)之一，而多維感知的業(yè)務(wù)需求也對(duì)6G通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和通信感知一體化技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。隨著6G通信系統(tǒng)的愿景、需求、指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)、評(píng)估和驗(yàn)證的發(fā)展，在標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)的過(guò)程中，性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)將成為關(guān)鍵要素之一。如何在不同的技術(shù)演進(jìn)階段、不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下充分評(píng)價(jià)通信感知一體化的性能，將一直是后續(xù)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

致謝

中國(guó)信息通信研究院沈霞副高級(jí)工程師、徐明楓工程師在本研究中承擔(dān)了重要工作，對(duì)他們表示感謝！同時(shí)本研究得到了北京郵電大學(xué)趙中原副教授的幫助，在此一并感謝！

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作者簡(jiǎn)介

江甲沫，中國(guó)信息通信研究院主任工程師、中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)無(wú)線通信技術(shù)工作委員會(huì)前沿?zé)o線技術(shù)工作組組長(zhǎng)；主要研究方向?yàn)?G通信感知一體化、6G無(wú)線與人工智能融合、6G原型驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)等；主持和參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)和省部級(jí)項(xiàng)目，獲省部級(jí)科技成果獎(jiǎng)項(xiàng)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)；發(fā)表論文30余篇。

韓凱峰，中國(guó)信息通信研究院副高級(jí)工程師；主要研究方向?yàn)槊嫦?G的無(wú)線人工智能、通信感知一體化技術(shù)；主持和參與省部級(jí)研究項(xiàng)目4項(xiàng)、中國(guó)通信學(xué)會(huì)研究課題7項(xiàng)；發(fā)表論文30余篇。

徐曉燕，中國(guó)信息通信研究院副高級(jí)工程師；主要研究方向?yàn)槊嫦?G的技術(shù)預(yù)研、ITU相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定等。