想象一下,在未来的某一天,你坐在沙发上,只需一挥手,窗帘打开,灯光点亮。然后你变换新的手势,手指在空中上下翻飞,悦耳的钢琴声便充满了整个房间。
是的,你不但在用手势来控制家中的一切,还能在空中弹奏虚拟的钢琴!要做到这些,必然需要通过无线的方式来进行高精度的身体定位和动作识别,并把识别的结果转换为指令,并实时传回控制系统。它是3GPP在5G-Advanced阶段研究的新技术,也被看作6G的关键技术之一。它也是Wi-Fi组织正在研究的课题,实现开头的场景只需要一个无线路由器。
通信和感知这俩看似八竿子打不着的东西之所以能合体,必然是它们在最底层共享着同样的基因。对于通信,我们是非常熟悉的。通过基站和手机之间相互收发无线信号,我们就能在那块小小的屏幕上打电话,听音乐,刷视频,和这个世界紧密相连。感知,顾名思义就是通过某些手段来探测周边环境的状态,物体的位置、方向、高度、速度、距离,还可以判断物体的形状,甚至人的动作手势。
雷达的基本原理,就是发出无线电信号,然后通过探测和分析接收到的反射信号来进行高精度的感知工作。简单来说,当无线电信号遇到不同介质或物体时,它们会由于反射、折射、散射而产生不同的变化。如果我们能够准确地测量和分析这些变化,就可以得到物体或介质的特征信息,比如形状、大小、位置、材质等。这就相当于雷达用无线电波“感知”到了物体或介质。除了普通雷达,还有激光雷达、计算机断层扫描、磁共振成像等设备也能提供专业的感知能力。首先,通信和感知都需要使用无线电频谱资源,而频谱资源是非常稀缺和宝贵的。如果能够让同一个无线信号既能传递信息又能进行感知,那么就可以节省频谱资源,并提高频谱利用率。其次,通信和感知都需要使用类似的硬件设备(比如天线、放大器、滤波器等),而硬件设备也是非常昂贵和复杂的。如果能够让一套设备既能支持通信又能支持感知,相当于节省了硬件成本。再次,通信和感知都需要进行类似的信息处理(比如编码、调制、解调、解码等),这个过程是非常复杂的。如果能够让一套算法既能实现通信又能实现感知,以有限的代价换来了翻倍的能力,想必也是极好的。可以看出,基站是为“通信”而生的专门设备,雷达则是专为“感知”而存在的,它们虽然在表面上看起来迥然相异,却早已将根紧握在地下,叶相触在云里。
如果能在基站里面融入雷达的功能,采用一套设备同时实现通信和感知的功能,并达到通信辅助感知,感知辅助通信的化境,对两者均可谓是一种涅槃重生般的双赢。如上所述,通信和感知系统的融合,就叫做“通信感知一体化”,简称“通感一体化”或者“通感”。如果我们需要阅读英文资料,则“通信感知一体化”写作Integrated Sensing And Communication,简称ISAC,读作“艾萨克”。ISAC这个名称和经典物理的奠基人艾萨克·牛顿爵士的名字在读音上非常相似,也暗自印证着“万物相通”这一亘古不变的真理。狭义的通感一体化是指具有上面提到的有测距、 测速、测角、成像、目标检测、目标跟踪和目标识别等能力的通信系统,早期也叫做“雷达通信一体化”。
而广义的通感一体化则是指具有感知一切业务、网络、用户和终端,以及环境物体的属性与状态的通信系统,其在感知的上可具有超出传统雷达的能力。
随着5G频谱从传统的Sub6G向毫米波拓展,波长的减少让感知的能力不断提升。因此,在5G的下半场,也就是5G-Advanced阶段,通信感知一体化被纳入了标准化的议程。在未来的6G,频谱将拓展到太赫兹,感知的能力会更进一步增强,给我们带来更大的想象空间。
作为5G-Advanced阶段研究的关键技术,6G的核心愿景之一,通感一体化可以给通信基站和终端叠加Buff,帮我们做很多事情,实现很多以前想象不到的目标。
通感一体化的目标不在于取代雷达、摄像头或者其他传感器,它的最大优势在于“顺势而为”。
这是因为,基站作为通信基础设施是无处不在的,且在铁塔上,电源、天馈、传输等资源均具备,如果只需通过软件升级就可以拥有感知能力,何乐而不为呢?
随着消费级无人机的发展,由于难以监控,无人机随意乱飞现象越来越严重。这虽然对个人来说问题不大,但对一些需要保密的单位来说,再严密的地面安防,也挡不住无人机飞入飞出如入无人之境,未经允许在空中随意拍摄简直不要太轻松。
为防止无人机“黑飞”造成的泄密、碰撞及噪声等问题,需要高效、低成本地部署低空安防系统。目前无人机安防市场多种探测方案并存,但都面临技术、效率、成本等诸多限制。
通信感知一体化技术,可以让需部署低空安防区域的多个基站秒变雷达,再结合基站内部的算力资源,快速搭建低空安防系统,只要基站信号可达,就能实时定位和追踪入侵无人机,供安防系统下一步决策参考。
反过来,基于通感一体化提供的成像、地图构建和环境重构能力,系统可以化被动为主动,派出无人机进行侦察、物流派送等活动,并能根据多站感知能力,在未知的环境中执行自动导航和路径规划。
在车联网场景中,需要对道路本身和环境进行识别感知,对车辆位置、速度及运动方向进行识别,对道路上异常事件进行识别通感一体系统可实时感知道路上的车流状态,实现人、车、路的高效协同,保障交通安全,提升交通系统运行效率。
通感一体系统可利用通信基站站点高、覆盖广的特点,实时、大范围、感知车道流量和车速信息,同时检测行人或动物道路入侵,有效实施道路监管,保障交通安全和提升交通效率。