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集成传感和通信：迈向 6 G 及更高速率的双功能无线网络

Fan Liu ⊕ ⊕ ^(o+){ }^{\oplus} ， IEEE 会员， Yuanhao Cui ⊖ ⊖ ^(⊖){ }^{\ominus} ， IEEE 会员， Christos Masouros ⊖ ⊖ ^(⊖){ }^{\ominus} ， IEEE 高级会员， Jie Xu ⊕ ⊕ ^(o+){ }^{\oplus} ， IEEE 会员， Tony Xiao Han， IEEE 高级会员， Yonina C. Eldar ⊙ ⊙ ^(o.){ }^{\odot} ， IEEE 会员， Stefano Buzzi ⊕ ⊕ ^(o+){ }^{\oplus} ， IEEE 高级会员

抽象

随着 5G 标准化的固化，研究人员正在推测 6G 将是什么。传感功能的集成正在成为 6G 无线接入网络 （RAN） 的一个关键特性，允许利用密集的蜂窝基础设施来构建感知网络。在本期 IEEE 通信选定领域期刊 （JSAC） 特刊概述中，我们对集成传感与通信 （ISAC） 的背景、关键应用范围和最先进的方法进行了全面回顾。我们首先从历史的角度讨论传感和通信 （S&C） 之间的相互作用，然后考虑 ISAC 的多个方面以及由此产生的性能提升。通过介绍正在进行的和潜在的用例，我们阐明了与 ISAC 相关的行业进步和标准化活动。我们分析了 之间的 S & C S & C S&CS \& C 许多性能权衡，从信息

手稿接收日期：2021 年 8 月 24 日;修订于 2022 年 1 月 29 日;2022 年 2 月 18 日接受。发布日期 2022 年 3 月 17 日;当前版本的日期 2022 年 5 月 18 日。这项工作部分得到了中国国家自然科学基金 62101234 号资助的支持，部分得到了工程与物理科学研究委员会 EP/S028455/1 项目的支持。徐杰的工作部分得到了中国国家自然科学基金（U2001208 号资助）和广东省科学技术计划（2021A0505030002）的支持。Stefano Buzzi 的工作得到了 Ministero dell'Istruzione， dell'Università e della Ricerca （MIUR） 计划“Dipartimenti di Eccellenza 2018-2022”的支持。（通讯作者：崔元浩）
刘帆就职于南方科技大学电子与电气工程系，中国深圳 518055（电子邮件：liuf6@sustech.edu.cn）。
Yuanhao Cui 就职于北京邮电大学通信工程系，中国北京 100876（电子邮件：cuiyuanhao@bupt.edu.cn）。
Christos Masouros 就职于伦敦大学学院电子与电气工程系，英国伦敦 WC1E 7JE（电子邮件：chris.masouros@ieee.org）。
徐杰就职于香港中文大学科学与工程学院和未来网络智能研究所 （FNii），中国深圳 518172（电子邮件：xujie@cuhk.edu.cn）。
Tony Xiao Han 就职于中国深圳 518129 华为技术有限公司（电子邮件：tony.hanxiao@huawei.com）。
Yonina C. Eldar 就职于以色列雷霍沃特 7610001 魏茨曼科学研究所数学与计算机科学学院（电子邮件：yonina.eldar@weizmann.ac.il）。
Stefano Buzzi 就职于卡西诺和南拉齐奥大学电气与信息工程系（地址：03043 Cassino， Italy）、国家电信大学委员会 （CNIT），地址：43124 Parma， Italy，以及 GBB Wireless Research，地址：80143 Naples， Italy（电子邮件：buzzi@unicas.it）。
本文中一个或多个图的彩色版本可在 https://doi.org/10.1109/JSAC.2022.3156632 处获得。
数字对象标识符 10.1109/JSAC.2022.3156632
物理层性能权衡的理论限制，以及跨层设计权衡。接下来，我们讨论 ISAC 的信号处理方面，即 ISAC 波形设计和接收信号处理。更进一步，我们提供了在感知网络框架内 S & C S & C S&CS \& C 进行更深层次集成的愿景，其中这两种功能有望相互协助，即通过通信辅助传感和传感辅助通信。最后，我们确定了 ISAC 与其他新兴通信技术的潜在集成，以及它们对无线网络未来的积极影响。
索引术语 - 集成传感和通信、6G、性能权衡、波形设计、感知网络。

I. 引言

A. 背景和动机

下一代无线网络（例如 Beyond 5 G （B5G） 和 6G）已被设想为许多新兴应用的关键推动因素。这些应用需要高质量的无线连接以及高精度和强大的传感能力。在关于 B5G/6G 网络的许多有远见的假设中，一个共同的主题是传感将发挥比以往任何时候都更重要的作用 [1]。
虽然对未来无线系统的推测性研究才刚刚开始，但技术趋势清楚地表明，我们已经准备好在即将到来的 B5G 和 6G 时代拥抱新的传感功能。事实上，无线电传感和通信 （S&C） 系统都在朝着更高的频段、更大的天线阵列和小型化发展，因此在硬件架构、信道特性和信号处理方面变得越来越相似。这为利用无线基础设施实现传感提供了一个令人兴奋的机会，这样未来的网络将超越传统通信，提供无处不在的传感服务来测量甚至成像周围环境。这种传感功能以及网络从环境中收集传感数据的相应能力被视为在未来智能世界中学习和构建智能的推动因素，并可能在许多位置/环境感知场景中得到广泛应用。仅举几例，车联网、智能家居、智能制造、遥感、环境监测和人机交互，如图 1 所示，将在 II-A 节中详细介绍。为此，迫切需要共同设计网络 S & C S & C S&C\mathrm{S} \& \mathrm{C} 中的 B 5 G / 6 G B 5 G / 6 G B5G//6G\mathrm{B} 5 \mathrm{G} / 6 \mathrm{G} 作，
图 1.面向未来无线网络的 ISAC 技术。
这激发了最近的研究主题集成传感和通信 （ISAC） [2]。
的信息 S & C S & C S&C\mathrm{S} \& \mathrm{C} 处理显示出明显的区别。传感从嘈杂的观测中收集和提取信息，而通信则侧重于通过专门定制的信号传输信息，然后从嘈杂的环境中恢复信息。ISAC 的最终目标是统一这两项作，并在它们之间寻求直接权衡以及共同的性能提升。一方面，ISAC 有望显著提高频谱和能源效率，同时降低硬件和信号成本，因为它试图将传感和通信合并到一个系统中，而该系统以前需要争夺各种类型的资源。另一方面，ISAC 还追求更深层次的集成范式，其中这两种功能不再被视为单独的最终目标，而是为互惠互利而共同设计，即通过通信辅助传感和传感辅助通信。
尽管 ISAC 最近才受到学术界和无线界的日益关注，但几十年来，各种研究界一直以不同的名称对 ISAC 进行研究，例如雷达通信（RadCom）[3]、联合通信和雷达（JCR）[4]、联合雷达和通信（JRC）[5]和双功能雷达通信（DFRC）[5]。虽然这些术语可能具有不同的内涵，但其中的传感功能主要是指雷达传感，这长期以来一直是 ISAC 的主流。在本概述中，我们使用 ISAC 作为
一个统一的术语，指的是雷达传感和通信的所有联合设计。

B. ISAC 的历史观

在最早的 ISAC 实施（1960 年代）[6] 中，通信信息通过脉冲间隔调制 （PIM） 嵌入到一组雷达脉冲中，其中雷达用作导弹测距仪器。虽然这个方案看起来相当简单，但当时的研究人员，早在现代数字通信诞生之前，就已经意识到某些通信功能可以应用于军用雷达。事实上，雷达作为传感技术的主要代表，其发展已经受到无线通信的深刻影响，反之亦然。在本小节中，我们从历史的角度概述了 ISAC 技术的发展。
  1. 雷达的早期发展：早期的雷达由机械电机驱动，通过周期性旋转天线来搜索太空中的目标。然而，这种雷达面临着几个关键挑战，例如，缺乏多功能性和灵活性，以及相对容易干扰和干扰。有鉴于此，相控阵技术（又名电子扫描阵列技术）应运而生，以规避其中的许多缺点 [7]。相控阵系统不是机械旋转天线，而是产生空间信号束，这些信号可以电子方式转向不同的方向。第一台远程预警相控阵雷达，名为“FuMG 41/42 Mammut”（或简称“Mammut”），由德国 GEMA 公司于 10 月 1 日开发
第二次世界大战，能够在 300 km 的范围内探测到 8 km 高度飞行的目标 [8]。
2） 雷达和通信如何相互启发：“猛犸象”不仅是第一个相控阵雷达系统，也是第一个多天线系统，它激发了多输入多输出 （MIMO） 通信系统的发明。1994 年，Paulraj 和 Kailath 获得了 MIMO 通信的第一项专利 [9]，这导致了 3G、4G 和 5G 无线网络的新时代 [10]，[11]。10 年后，麻省理工学院林肯实验室在 2004 年 IEEE 雷达会议上提出了共址 MIMO 雷达，由 MIMO 通信技术触发 [12]。在 MIMO 雷达中，每个天线传输单个波形，而不是基准波形的相移对应波形 [13]。这导致了更大的虚拟孔径，与相控阵雷达相比，它提高了灵活性和传感性能。从 MIMO 通信理论中“借用”的自由度 （DoFs） 和分集等概念成为 MIMO 雷达理论基础的基石 [14]、[15]。
雷达和通信的研究在 1990 年代初至 2000 年代初开始合并。1990 年代，美国海军研究办公室 （ONR） 启动了高级多功能射频 （RF） 概念 （AMRFC） 计划，旨在通过将多个天线划分为不同的功能模块来设计集成的射频前端，例如雷达、通信和电子战模块 [16]、[17]。ISAC 研究出现在 1990 年代至 2000 年代，主要受到 AMRFC 及其后续项目的推动，例如由 ONR 赞助的综合上部 （InTop） 计划 [18]。在此期间，雷达界提出了各种 ISAC 方案，其中总体思路是将通信信息嵌入到常用的雷达波形中。例如，[19] 的开创性工作提出了将线性调频信号与相移键控 （PSK） 调制相结合，这是第一个利用线性调频信号的 ISAC 波形设计。从那时起，许多研究工作开始专注于利用雷达波形（如啁啾信号和频率/相位编码波形）作为载波来调制通信数据[20]-[23]。
正交频分复用 （OFDM） 是包括 4G 和 5 G 在内的无线网络中的关键技术之一，在 2010 年代初期被发现可用于雷达传感 [3]。特别是，在 OFDM 雷达中，可以通过简单地执行快速傅里叶变换 （FFT） 及其逆 （IFFT） [3] 来直接减轻随机通信数据的影响，并且可以将延迟和多普勒处理解耦。基于 chirp 和 OFDM 信号的两种方案分别是“以传感为中心”和“以通信为中心”设计的示例，将在后面的部分中详细介绍。
2013 年，美国国防高级研究计划局 （DARPA） 资助了另一个名为“雷达和通信共享频谱接入 （SSPARC）”的项目，该项目旨在从雷达频段释放部分 sub-6 GHz 频谱，供雷达和通信共享使用 [24]。这导致了认知无线电框架内另一个有趣的研究主题“雷达-通信共存 （RCC）”，其中单个雷达
并且通信系统应共存于同一频段内，而不会相互干扰[25]-[29]。除了 RCC 中涉及的频谱共存和干扰管理之外，ISAC 还通过通用基础设施追求两种功能的更深入集成。
3） 雷达和通信的并行发展：2010 年，Marzetta 的开创性工作 [30] 提出了大规模 MIMO （mMIMO），后来成为 5G 及 5G 及后续网络的核心技术之一 [31]。三年后的 2013 年，NYU WIRELESS 发表了关于利用毫米波 （mmWave） 信号进行移动通信的可行性的里程碑式论文 [32]。从那时起，mmWave 和 mMIMO 成为一对互相帮助的完美搭档。由于信号波长减小，大规模 MIMO 天线阵列可以在物理上变得更小，并且由于 mMIMO 阵列提供的高波束成形增益，毫米波信号可以传输得更远。然而，阻碍大规模部署 mMIMO 毫米波技术的关键挑战是，由于所需的毫米波射频链数量众多，会带来巨大的硬件成本和能耗。这迫使无线研究人员重新思考 mMIMO 系统的 RF 前端架构。其中，混合模拟数字 （HAD） 结构通过设计良好的移相器（甚至开关）网络将大量天线与少量射频链连接起来，从而降低成本和能耗 [33]-[35]。
巧合的是，在 mMIMO 诞生的同一年，[36] 提出了相控阵 MIMO 雷达的概念，试图在相控阵雷达和 MIMO 雷达之间实现平衡。请注意，通过在每个天线上传输单独的波形，MIMO 雷达有利于以有限的阵列增益为代价增加 DoF;相比之下，相控阵雷达将其发射功率集中到目标方向，在实现更高的阵列增益方面具有优势，但 DoF 较差。就像用于通信的 HAD 结构一样，一个自然的想法是设计一种系统架构，通过移相器阵列将多个天线与有限数量的射频链连接起来，从而弥合两者之间的差距。这样，相控阵 MIMO 雷达在相控阵雷达和 MIMO 雷达之间实现了灵活的权衡 [36]。在只有一个 RF 链的极端情况下，相控 MIMO 雷达会简化为相控阵雷达。另一方面，如果射频链数等于天线数，则 phasedMIMO 雷达等同于 MIMO 雷达。最近，[37]考虑了利用 mMIMO 进行雷达检测的优势，在存在未知统计数据的干扰的情况下，通过单个快照准确感知目标。
由于上述并行但基本独立的发展，设备中存在重复，例如用于雷达和通信的相控阵之间的重复，以及 MIMO 雷达和 MIMO 通信之间的重复，而多静态雷达可以与协同通信并行。值得注意的是，雷达和通信信号处理之间也有类比，包括用于通信的波束成形和用于雷达的波束成形，假设