李玲香，謝郁馨，陳 智，李少謙

(電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731)

0 引言

隨著對(duì)帶寬和數(shù)據(jù)速率需求的日益增長(zhǎng)，無(wú)線(xiàn)通信正向太赫茲高頻段與大帶寬發(fā)展，站間距越來(lái)越小，終端與基站彼此“看見(jiàn)”的概率越來(lái)越高，越來(lái)越滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)感知應(yīng)用的條件。這些趨勢(shì)和人們對(duì)智慧應(yīng)用的需求促進(jìn)了面向6G的太赫茲通信感知一體化技術(shù)的研究。

太赫茲(Terahertz,THz)頻段(0.1～10 THz)被設(shè)想為支持未來(lái)6G超寬帶無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵通信技術(shù)之一。太赫茲頻段具有器件體積小、感知能力強(qiáng)、擁有Tbit/s的超高數(shù)據(jù)速率、高安全性等特征[1]。而使能系統(tǒng)的小型化，可支持無(wú)線(xiàn)感知功能和無(wú)線(xiàn)通信功能在單個(gè)系統(tǒng)中的集成，支持感知功能和通信功能相互促進(jìn)與增強(qiáng)，從“共存”走向“互惠”，從局域(室內(nèi))走向廣域(室外)[2]。

具體而言，曾經(jīng)的通信和感知技術(shù)分別使用不同的波形，資源(頻譜資源、硬件設(shè)備等)利用率低。太赫茲通信感知一體化技術(shù)正在進(jìn)行感知通信融合，感知技術(shù)和通信技術(shù)共同利用波形、頻譜、天線(xiàn)、系統(tǒng)等軟/硬件資源，實(shí)現(xiàn)更高效資源利用率、更準(zhǔn)確的感知輔助通信(波束管理、波束追蹤等)和更靈敏的通信輔助感知(定位增強(qiáng)、姿勢(shì)識(shí)別等)。此外，通信感知一體化從簡(jiǎn)單多維感官的交融互通(手勢(shì)識(shí)別等)發(fā)展到了融合通信的廣域感通(感通賦能智慧城市、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等)。

1 6G發(fā)展規(guī)劃與愿景

1.1 發(fā)展規(guī)劃與愿景

5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)正在實(shí)現(xiàn)從互聯(lián)的人到萬(wàn)物互聯(lián)。人們?cè)O(shè)想未來(lái)的6G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物“智聯(lián)”，即移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)連接大量“智能”的通信設(shè)備；而這些通信節(jié)點(diǎn)將同時(shí)具有感知其周?chē)h(huán)境、周?chē)脩?hù)狀態(tài)(運(yùn)動(dòng)/靜止)的能力，并能夠與周?chē)?jié)點(diǎn)進(jìn)行通信以交換感知信息形成通信信息網(wǎng)絡(luò)[3]。此外，人工智能(Artificial Intelligence,AI)與感知功能結(jié)合可使物理生物世界與數(shù)字世界相融合，從而通信網(wǎng)絡(luò)能夠具有類(lèi)似于人類(lèi)的認(rèn)知能力。6G將通過(guò)互聯(lián)的人、互聯(lián)的物和互聯(lián)的智能開(kāi)啟“智能互聯(lián)網(wǎng)”的新時(shí)代。

在未來(lái)的6G系統(tǒng)中，一方面，整個(gè)通信系統(tǒng)可以充當(dāng)傳感器，探測(cè)無(wú)線(xiàn)電波的傳輸情況(反射、散射等)，以更好地感知物理環(huán)境，提供例如車(chē)聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等廣泛的新服務(wù)；另一方面，通過(guò)感知獲得的高精度定位、成像和環(huán)境重建等信息可以改善通信性能，例如用于更準(zhǔn)確的波束成形、更快的波束故障恢復(fù)以及更少的信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)估計(jì)開(kāi)銷(xiāo)[4]。

1.2 6G關(guān)鍵特征

6G就像一個(gè)遍布通信鏈路的分布式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，融合生物物理世界與數(shù)字世界，它不再是單純的比特傳輸管道，而是能夠感知萬(wàn)物、聯(lián)接萬(wàn)物，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)智能[5]。因此，6G將成為傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)中心即神經(jīng)中樞，機(jī)器學(xué)習(xí)遍布全網(wǎng)，這就是未來(lái)萬(wàn)物智能網(wǎng)絡(luò)世界的圖景。

6G有如下幾個(gè)關(guān)鍵特征。

(1) 原生AI

原生AI是一種基于AI能力的價(jià)值建構(gòu)體系，讓智能應(yīng)用從AI的架構(gòu)中成長(zhǎng)起來(lái)。隨著無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展，每100 m2就有超過(guò)千數(shù)的設(shè)備接入，這使得通信信息網(wǎng)絡(luò)十分龐雜繁復(fù)，如何進(jìn)行資源管理和網(wǎng)絡(luò)管理成為亟需解決的問(wèn)題。原生AI可以幫助啟用并改善空口算法，包括但不限于流量和信道預(yù)測(cè)，減少開(kāi)銷(xiāo)以及發(fā)射/接收鏈路設(shè)計(jì)[6]。此外，AI還可以將其他服務(wù)和信息集成到空中接口中，例如有關(guān)位置和環(huán)境的信息，設(shè)備相機(jī)捕獲的圖像以及內(nèi)部傳感器捕獲的數(shù)據(jù)，有效進(jìn)行資源管理和網(wǎng)絡(luò)管理。

(2) 感通一體化

感通一體化指在未來(lái)的智能網(wǎng)絡(luò)中，感知與通信技術(shù)將集成在同一系統(tǒng)中，并且能同時(shí)進(jìn)行感知與通信應(yīng)用。感知技術(shù)和通信技術(shù)相融合，感知和通信功能的集成實(shí)現(xiàn)許多蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的新服務(wù)，例如更好的運(yùn)輸管理、更好的定位服務(wù)和公共安全。此外，基于感知技術(shù)提供的生物、物理環(huán)境信息，也優(yōu)化了無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的AI服務(wù)質(zhì)量。

(3) 地面與非地面一體化網(wǎng)絡(luò)

地面與非地面一體化網(wǎng)絡(luò)是指通信網(wǎng)絡(luò)將從地面延展至空域、海域乃至深空、深海，形成不同層次集合的一體化網(wǎng)絡(luò)。在未來(lái)6G中，衛(wèi)星輔助地面通信將成為6G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中重要的一環(huán)。通信感知一體化技術(shù)促進(jìn)不同層次“空、天、地、海”通信系統(tǒng)的形成與發(fā)展。3GPP也于近年初始化了衛(wèi)星通信的標(biāo)準(zhǔn)以輔助未來(lái)的地面通信[7]。

(4) 極致連接

極致連接指設(shè)備、基站等具通信感知功能器件連接密度將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，形成超密集智能網(wǎng)絡(luò)。更高的通信速率、低于0.1 ms的延時(shí)、無(wú)處不在的通信設(shè)備連接、數(shù)十倍增長(zhǎng)的連接密度和集成的AI使得如車(chē)輛通信、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、個(gè)人健康監(jiān)測(cè)、姿勢(shì)識(shí)別等應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

(5) 原生可信

原生可信指無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息安全性和隱私性。之前通信系統(tǒng)的研究主要集中于網(wǎng)絡(luò)吞吐量、可靠性和延遲[8]，而無(wú)線(xiàn)通信的安全性和隱私問(wèn)題在某種程度上被忽略了。由于數(shù)據(jù)安全和隱私問(wèn)題與用戶(hù)的生活密切相關(guān)，因此保護(hù)數(shù)據(jù)安全和隱私已成為以人為本的6G通信的重要組成部分。未來(lái)6G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)將致力于構(gòu)建一個(gè)安全、高度隱私的生態(tài)鏈，保護(hù)用戶(hù)的隱私安全[9]。

(6) 可持續(xù)發(fā)展和人類(lèi)生活

可持續(xù)發(fā)展和人類(lèi)生活主要關(guān)注大規(guī)模智能應(yīng)用生活中的能效和節(jié)能方案。長(zhǎng)期以來(lái)，能源效率(定義為比特/焦耳)一直是無(wú)線(xiàn)的重要設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)于6G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，能源效率將繼續(xù)保持甚至成為更重要的要求。在6G中，除了提高能效外，還應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)的生命周期能耗，并考慮各種可再生能源。

1.3 無(wú)線(xiàn)通信與無(wú)線(xiàn)感知融合

通信載波向更高頻發(fā)展、感知技術(shù)向更低頻發(fā)展，促進(jìn)了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和感知技術(shù)的融合。6G移動(dòng)通信將具有智能網(wǎng)絡(luò)感知功能，可提供高分辨率的定位、感知運(yùn)動(dòng)、成像和環(huán)境重建等功能以改善通信性能，同時(shí)開(kāi)辟更廣泛的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)場(chǎng)景為構(gòu)建未來(lái)智能數(shù)字世界奠定基礎(chǔ)。

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，如表1所示，感知通信融合技術(shù)根據(jù)感知者和目標(biāo)對(duì)象的關(guān)系，往往分為3種方式：主動(dòng)式、被動(dòng)式和交互式。

表1 感知通信融合方式比較

在6G時(shí)代，交互式融合是通信感知一體化的發(fā)展方向，感知和通信功能的集成將極大地提高資源利用率并且相互促進(jìn)，實(shí)現(xiàn)生物世界、物理世界與數(shù)字世界的融合。

2 基于太赫茲的通信感知一體化

在過(guò)去的無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域研究中，由于太赫茲收發(fā)器的短缺，產(chǎn)生太赫茲信號(hào)并開(kāi)發(fā)太赫茲通信系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性，然而隨著技術(shù)的發(fā)展，太赫茲通信技術(shù)被設(shè)想在未來(lái)幾年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)，且將在6G時(shí)代變得成熟[10]。

太赫茲頻段也將以其獨(dú)特的特性和優(yōu)勢(shì)，使得面向6G的太赫茲通信感知一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)。

2.1 一體化模式

通信感知一體化模式可從資源和功能兩方面劃分為：資源一體化、功能一體化和資源功能一體化[11]。

2.1.1 資源一體化

資源一體化指通信技術(shù)和感知技術(shù)設(shè)計(jì)的軟、硬件資源在不同層次上集成，主要包括頻譜資源和設(shè)備資源。具體可分為以通信為中心的設(shè)計(jì)、以感知為中心的設(shè)計(jì)和聯(lián)合設(shè)計(jì)系統(tǒng)[12]。

以通信為中心的設(shè)計(jì)：在此類(lèi)系統(tǒng)中，感知是通信系統(tǒng)的附加組件，設(shè)計(jì)的優(yōu)先級(jí)是通信功能，目的是利用通信波形通過(guò)目標(biāo)回波獲取感知信息，這需要更強(qiáng)大的硬件和算法以支持感知功能[13]?？梢酝ㄟ^(guò)提高通信標(biāo)準(zhǔn)、更好地利用通信波形等手段，來(lái)達(dá)到雷達(dá)感知的目的。在這種系統(tǒng)中，通信性能幾乎不會(huì)受到影響，但感知性能可能會(huì)取決于環(huán)境且難以?xún)?yōu)化。例如用于車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)和感知移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的IEEE 802.11ad JCR系統(tǒng)，它們分別使用單載波和多用戶(hù)MIMO-OFDM通信信號(hào)，兩者都是雙功能感知通信系統(tǒng)。

以感知為中心的設(shè)計(jì)：此類(lèi)系統(tǒng)旨在通過(guò)調(diào)制或在已知感知波形中加入信息信令實(shí)現(xiàn)通信目的[14]。由于感知信號(hào)在很大程度上保持不變，因此此種系統(tǒng)下的感知近乎最佳，但獲得的數(shù)據(jù)速率十分有限，若想進(jìn)一步提高通信性能，那么原本的感知功能就會(huì)受損。在應(yīng)用中，索引調(diào)制能夠?qū)⑿畔⑶度氲嚼走_(dá)信號(hào)參數(shù)的不同組合中，不會(huì)改變雷達(dá)的基本波形和信號(hào)結(jié)構(gòu)，且對(duì)雷達(dá)功能的影響可忽略不計(jì)，因此受到廣泛關(guān)注。對(duì)于MIMO-OFDM、CAESAR和FH-MIMO雷達(dá)，可以通過(guò)頻率選擇/組合和/或天線(xiàn)選擇/排列來(lái)實(shí)現(xiàn)。

聯(lián)合設(shè)計(jì)：此類(lèi)系統(tǒng)能在感知和通信性能之間提供可調(diào)權(quán)衡的聯(lián)合設(shè)計(jì)，且不受任何現(xiàn)有通信或感知標(biāo)準(zhǔn)的限制。

2.1.2 功能一體化

功能一體化是在軟、硬件資源彼此獨(dú)立的情況下，實(shí)現(xiàn)基于信息共享的功能協(xié)同。簡(jiǎn)而言之就是，感知輔助通信和通信輔助感知兩種功能的實(shí)現(xiàn)。

感知輔助通信：通過(guò)感知提供的環(huán)境信息可以提高信道估計(jì)的準(zhǔn)確性，顯著降低開(kāi)銷(xiāo)，并且基于感知的信道獲取避免了重復(fù)的信道估計(jì)過(guò)程。此外感知能夠輔助波束對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)感知獲得的用戶(hù)位置信息和環(huán)境圖有助于識(shí)別大型物體引起的鏈路阻塞，并提高通信吞吐量。

通信輔助感知：通過(guò)通信功能進(jìn)行感知信息共享，實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)同感知，增強(qiáng)感知功能。此外，通過(guò)通信功能獲得感知目標(biāo)先驗(yàn)信息，以提升感知性能，例如定位增強(qiáng)、更靈敏的姿勢(shì)識(shí)別等應(yīng)用。

未來(lái)功能一體化的發(fā)展，一是如何讓通信技術(shù)促進(jìn)感知應(yīng)用；二是合作感知，讓感知應(yīng)用同時(shí)具備通信功能。

2.1.3 資源功能一體化

面向6G的太赫茲通信感知一體化技術(shù)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)資源功能一體化，達(dá)到頻譜共享、設(shè)備共享、功能協(xié)同的目的。例如，在3GPP中定義的4G/5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)信道測(cè)量信號(hào)，不僅能實(shí)現(xiàn)信道測(cè)量功能，也可以通過(guò)終端側(cè)的信道估計(jì)合作感知為無(wú)線(xiàn)通信提供支持。

未來(lái)面向6G的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，將更加依賴(lài)對(duì)周?chē)h(huán)境的感知數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效可靠的通信；感知技術(shù)也將更加依賴(lài)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高分辨率高精準(zhǔn)度的感知，因此資源功能并行的一體化發(fā)展，是未來(lái)智能網(wǎng)絡(luò)最合理的訴求。

2.2 太赫茲在通信感知一體化方面的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)面向6G的通信感知一體化的浪潮涌來(lái)，太赫茲為什么會(huì)受到諸多關(guān)注？本節(jié)將從通信和感知兩個(gè)角度進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

2.2.1 太赫茲通信優(yōu)勢(shì)

(1) 超寬帶無(wú)線(xiàn)通信

相比起毫米波波段和紅外波段，太赫茲頻段高達(dá)Tbit/s級(jí)的傳輸速率、小于0.1 ms的延時(shí)，可以滿(mǎn)足6G時(shí)代超高數(shù)據(jù)速率低延時(shí)要求[15]。如圖1所示，典型應(yīng)用例如在超高數(shù)據(jù)速率小型蜂窩小區(qū)中，太赫茲通信設(shè)備可以支持較小范圍(以m為單位)內(nèi)靜態(tài)和移動(dòng)用戶(hù)的帶寬密集型應(yīng)用，例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和全息遙控等。同時(shí)，太赫茲頻段可以滿(mǎn)足接入點(diǎn)的前傳/回傳容量需求，是成本高昂的有線(xiàn)部署的可行替代方案。

圖1 頻譜示意及簡(jiǎn)要應(yīng)用圖Fig.1 Spectrum diagram and brief application diagram

(2) 高安全性

無(wú)線(xiàn)通信的安全性通常是指防竊聽(tīng)和干擾的功能。一方面，太赫茲信號(hào)波束相比于毫米波波束較窄，當(dāng)竊聽(tīng)者位于發(fā)射波束之外時(shí)，無(wú)法接收到太赫茲信號(hào)，甚至無(wú)法注意到太赫茲信號(hào)傳輸；另一方面，結(jié)合擴(kuò)頻技術(shù)，太赫茲通信對(duì)干擾者不可見(jiàn)，并且在無(wú)線(xiàn)環(huán)境中太赫茲信號(hào)有良好的抗干擾性能。

(3) 天氣因素、閃爍效應(yīng)影響低

太赫茲波由于頻率高波長(zhǎng)短，可以穿過(guò)空氣中的細(xì)小顆粒，更好地抵抗天氣影響，而紅外波或可見(jiàn)光波即使在晴朗天氣下也會(huì)大大衰減。

此外，由于地面附近的熱氣和湍流，空氣中時(shí)間和空間上溫度和壓力的不均勻性會(huì)產(chǎn)生閃爍效應(yīng)，自由空間光通信鏈路的最大傳輸距離受到閃爍效應(yīng)的影響較大，而太赫茲波則更不易受到影響。

2.2.2 太赫茲感知優(yōu)勢(shì)

除了上述的通信優(yōu)勢(shì)而外，太赫茲技術(shù)用于感知的其他優(yōu)勢(shì)如圖2所示。

圖2 不同頻段感知通信融合對(duì)比Fig.2 Comparison of integrated communication and sensing on different frequency bands

(1) 人體健康

日常生活中，大到雷達(dá)、通信基站，小到手機(jī)，都會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。超過(guò)一定的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的電磁輻射會(huì)造成電磁污染，進(jìn)而對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。

CT在感知的過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生極大的電磁輻射，雖然能達(dá)到較好的感知精度和準(zhǔn)確性，但是電磁輻射帶來(lái)的影響使得其無(wú)法為人們?nèi)粘Ｊ褂谩Ｏ啾戎?，厘米波、毫米波和太赫茲頻段的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CT系統(tǒng)，因此能夠滿(mǎn)足人們?nèi)粘Ｐ枨螅粚?duì)人體造成危害。

(2) 便攜度

相比于不可能隨身攜帶的CT機(jī)和雷達(dá)，太赫茲頻段頻率高達(dá)THz級(jí)別，波長(zhǎng)介于0.03～3 mm之間，發(fā)射天線(xiàn)陣列和接收天線(xiàn)陣列尺寸小于毫米波天線(xiàn)陣列，能夠滿(mǎn)足人體便攜要求。

(3) 覆蓋范圍

無(wú)線(xiàn)通信和感知信號(hào)最初是為不同的應(yīng)用而設(shè)計(jì)優(yōu)化的，通常不能直接應(yīng)用到彼此的功能上。CT和雷達(dá)的頻段和波形限制了通信性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際通信要求；厘米波段雖能使提供更好的覆蓋，然而由于波長(zhǎng)受限，感知精度無(wú)法滿(mǎn)足部分高精度感知的應(yīng)用需求。

(4) 感知精度、分辨率

5G時(shí)代定位精準(zhǔn)度要求范圍在1 m左右，毫米波能夠滿(mǎn)足要求[16]。6G時(shí)代，姿勢(shì)識(shí)別等應(yīng)用要求精度低至厘米級(jí)乃至毫米級(jí)，厘米波已無(wú)法達(dá)到如此高的分辨率和精準(zhǔn)度。

相比于厘米波，太赫茲波波長(zhǎng)減小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使得感知精度和分辨率極高，雖無(wú)法達(dá)到雷達(dá)和CT系統(tǒng)的精度，但已能滿(mǎn)足日常應(yīng)用需求。

(5) 能效

太赫茲波傳播過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷較大的路徑損耗，這使得其能效較厘米波更低。除了使用超大規(guī)模MIMO(Multi-Input Multi-Output)之外，太赫茲技術(shù)往往需要更大的功率和能耗來(lái)抵抗損耗。但是，太赫茲技術(shù)的能效仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于CT系統(tǒng)。

2.3 太赫茲通信感知一體化的應(yīng)用場(chǎng)景

6G無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信將具有智能網(wǎng)絡(luò)感知功能，面向6G的通信感知一體化系統(tǒng)將提供高分辨率的定位、微動(dòng)作識(shí)別、成像和環(huán)境重建等功能以改善通信性能，同時(shí)開(kāi)辟更廣泛的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)場(chǎng)景為構(gòu)建未來(lái)智能數(shù)字世界奠定基礎(chǔ)[17]。

如圖3所示，將這些應(yīng)用簡(jiǎn)單概括為四類(lèi)：高精度定位追蹤、AI輔助制圖定位、增強(qiáng)感知以及姿勢(shì)識(shí)別/運(yùn)動(dòng)識(shí)別。

圖3 太赫茲通信感知一體化的應(yīng)用場(chǎng)景Fig.3 Application scenarios of terahertz integrated communication and sensing

2.3.1 高精度定位追蹤

借助面向6G的太赫茲通信感知一體化系統(tǒng)，可為需要高精度(毫米級(jí))的本地化服務(wù)提供支持，例如無(wú)人機(jī)自動(dòng)對(duì)接、機(jī)器人協(xié)作等場(chǎng)景。

此外，未來(lái)6G中的定位追蹤任務(wù)會(huì)將目標(biāo)坐標(biāo)作為指令，還可以通過(guò)人工智能或通信技術(shù)從生物、物理環(huán)境和任務(wù)特定目標(biāo)之間的某些聯(lián)系中解釋某些語(yǔ)義信息。例如，執(zhí)行上茶服務(wù)的機(jī)器人，需要理解任務(wù)目標(biāo)的面前是茶幾，那么茶幾就是放置茶杯的理想位置。在這種情況下系統(tǒng)就需要學(xué)習(xí)目標(biāo)物理位置并理解語(yǔ)義，這對(duì)于未來(lái)的無(wú)線(xiàn)定位追蹤系統(tǒng)十分重要。

2.3.2 AI輔助制圖定位

除了高精度的定位追蹤服務(wù)，聯(lián)合映射定位還可以使設(shè)備經(jīng)過(guò)訓(xùn)練以具有類(lèi)似人的認(rèn)知能力。

例如，機(jī)器人可以通過(guò)感知獲得房間中人的位置以及相對(duì)的家具位置(映射)，然后在AI的支持下，計(jì)算出路徑以將目標(biāo)傳遞給人類(lèi)；車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的汽車(chē)可以通過(guò)互聯(lián)的智能感知網(wǎng)絡(luò)獲得路上車(chē)輛行人的位置，進(jìn)行路線(xiàn)規(guī)劃和及時(shí)避讓。

2.3.3 增強(qiáng)感知

面向6G的太赫茲通信感知一體化系統(tǒng)進(jìn)行的通信感知，可在便攜式設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，使人們隨時(shí)隨地都能“看到”人眼極限之外，例如在未來(lái)智能醫(yī)院中，便攜式醫(yī)療設(shè)備可持續(xù)獲得有關(guān)血管、器官狀態(tài)以及其他不可視生命體征信息(哮喘、心律不齊、低血糖等)。

對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用，需要非常高的感知范圍和分辨率，分別依賴(lài)于太赫茲頻段數(shù)十GHz的帶寬和數(shù)千個(gè)天線(xiàn)元件。感知設(shè)備可以是支持6G的移動(dòng)電話(huà)、可穿戴設(shè)備或可植入人體皮膚醫(yī)療設(shè)備等。借助這些設(shè)備，就可達(dá)到增強(qiáng)人類(lèi)感知能力的效果，從而有助于在黑暗里、皮膚下等場(chǎng)景中收集信息。

此外，在可見(jiàn)度較低的環(huán)境(夜晚、霧氣或眩光)下，無(wú)線(xiàn)成像技術(shù)也可以方便地應(yīng)用于增強(qiáng)型感知眼鏡和車(chē)輛設(shè)備中，從而極大地方便了行人和車(chē)輛。除了空間檢測(cè)和成像外，更高頻率將使頻譜應(yīng)用成為可能。

2.3.4 姿勢(shì)/運(yùn)動(dòng)識(shí)別

太赫茲頻段將實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和準(zhǔn)確性以捕獲更精細(xì)的活動(dòng)和姿勢(shì)。具有驚人計(jì)算能力的人工智能技術(shù)也開(kāi)啟了姿勢(shì)/運(yùn)動(dòng)識(shí)別新時(shí)代，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，智能姿勢(shì)/運(yùn)動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的感知將不僅限于單個(gè)家庭，而是在大型復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行。除了用戶(hù)終端(智能電話(huà)及其他)之外，室內(nèi)蜂窩傳輸點(diǎn)或基站也將用作感知功能，它們將共同用于感知周?chē)h(huán)境，因此融合感知性能將大大提高。

基于感知和機(jī)器學(xué)習(xí)聯(lián)合能力的無(wú)設(shè)備姿勢(shì)識(shí)別/運(yùn)動(dòng)識(shí)別可促進(jìn)患者或老年人的非接觸式用戶(hù)界面發(fā)展和無(wú)攝像頭監(jiān)督應(yīng)用，從而及時(shí)識(shí)別出緊急情況進(jìn)行警告，還可以保護(hù)隱私。

3 一體化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

太赫茲通信感知一體化系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位追蹤、增強(qiáng)感知等諸多應(yīng)用，但是感通融合的道路仍充滿(mǎn)著諸多難點(diǎn)。接下來(lái)，介紹面向6G的太赫茲通信感知一體化的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)。

3.1 感知與通信的基礎(chǔ)差異

盡管感知通信系統(tǒng)具有集成的潛力，但它們之間還是存在一些顯著差異。本文總結(jié)了感知和通信系統(tǒng)之間的基本差異，這些差異帶來(lái)了通信感知一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的諸多挑戰(zhàn)[18]。

(1) 典型信號(hào)波形

傳統(tǒng)的感知信號(hào)通常是未經(jīng)調(diào)制的大帶寬信號(hào)，峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)低。

而通信信號(hào)是由未調(diào)制導(dǎo)頻與已調(diào)制符號(hào)的組合，擁有較高PAPR，復(fù)雜多樣。

(2) 信號(hào)結(jié)構(gòu)

感知信號(hào)結(jié)構(gòu)分為兩種：脈沖和連續(xù)波。

信號(hào)在相干處理間隔內(nèi)重復(fù)每個(gè)脈沖重復(fù)間隔，以增加接收信號(hào)功率并進(jìn)行多普勒頻率估計(jì)。

通信信號(hào)結(jié)構(gòu)通?；跀?shù)據(jù)分組，且沒(méi)有重復(fù)，數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度和間隔可隨時(shí)間變化，并且信號(hào)可能會(huì)在時(shí)域、頻域和空域占用不連續(xù)資源。

(3) 時(shí)鐘同步

發(fā)射和接收機(jī)在大多數(shù)感知系統(tǒng)中都被設(shè)定為時(shí)鐘鎖定，包括單靜態(tài)、雙靜態(tài)和多靜態(tài)系統(tǒng)。

通信系統(tǒng)中并置的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共享相同的定時(shí)時(shí)鐘，非并置節(jié)點(diǎn)通常不共享。

(4) 性能指標(biāo)

感知系統(tǒng)的感知性能一般由檢測(cè)概率、Cramer-Rao下限(Cramer-Rao Lower Bound，CRLB)、互信息(Mutual Information，MI)以及模糊函數(shù)衡量，具體場(chǎng)景需要具體分析。

通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)為通信容量、數(shù)據(jù)速率、頻譜效率、信干噪比、誤碼率(Bit Error Ratio，BER)。

3.2 一體化器件設(shè)計(jì)

在太赫茲頻段，波長(zhǎng)與器件尺度相比擬，各級(jí)元件間的耦合不可避免且更趨突出。強(qiáng)耦合使得寄生參數(shù)變大、種類(lèi)增多，導(dǎo)致器件性能急劇下降、難以預(yù)期。

如何建立亞波長(zhǎng)尺度復(fù)雜邊界條件下的共口徑器件場(chǎng)理論物理模型，如何實(shí)現(xiàn)整體器件亞波長(zhǎng)強(qiáng)耦合情況下感知、通信有機(jī)互聯(lián)和高效隔離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)感知、通信器件的共口徑設(shè)計(jì)，是太赫茲通信感知一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的首要挑戰(zhàn)。

3.3 一體化信號(hào)設(shè)計(jì)

通信感知一體化信號(hào)設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)是通信和感知不同的性能指標(biāo)要求，例如通信的主要目標(biāo)是使頻譜效率最大化，而用于感知目標(biāo)的最佳波形設(shè)計(jì)則是準(zhǔn)確性和高分辨率。通信信號(hào)以最大化信息承載能力為目的，通常需要經(jīng)過(guò)調(diào)制傳輸并基于數(shù)據(jù)分組。相比之下，感知信號(hào)通常以定位和跟蹤精度且能夠得到簡(jiǎn)單的感知參數(shù)估計(jì)為目的，具有以下特性：低PAPR以實(shí)現(xiàn)高效功率放大器；陡峭和狹窄主瓣的波形模糊函數(shù)可實(shí)現(xiàn)高分辨率。

太赫茲頻段的通信感知一體化信號(hào)設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮太赫茲頻段的特有性質(zhì)，例如：路徑損耗極高、分子吸收特性、信號(hào)傳播路徑稀疏性、載波頻率偏移、相位噪聲高以及多普勒頻移擴(kuò)展變大等[19]。這對(duì)帶外發(fā)射等指標(biāo)提出了更高的要求。此外，還需要充分考慮隨距離變化的頻譜窗口，以獲得適用于特定傳輸距離的太赫茲波形。這些差異使通信感知一體化信號(hào)的聯(lián)合設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)有趣且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

3.4 感知輔助的高效通信與組網(wǎng)技術(shù)

太赫茲6G通信具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、嚴(yán)重的路徑損耗等特點(diǎn)。為了增強(qiáng)覆蓋，太赫茲波束方向性高、寬度極窄，這造成了波束對(duì)準(zhǔn)困難、波束搜索復(fù)雜度高、波束管理難度大等問(wèn)題[20]。由于感知通信技術(shù)的融合，通過(guò)感知提供的環(huán)境信息可以輔助波束對(duì)準(zhǔn)及追蹤，可顯著降低開(kāi)銷(xiāo)、避免重復(fù)的信道估計(jì)過(guò)程。通過(guò)感知信息進(jìn)行信道預(yù)測(cè)，主動(dòng)切換波束，提高太赫茲通信的可靠性。

探索太赫茲網(wǎng)絡(luò)的通信覆蓋范圍是一個(gè)重點(diǎn)，干擾是影響太赫茲網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離的關(guān)鍵因素。與低頻通信不同，太赫茲傳播模型、信道模型、分子吸收模型更加復(fù)雜，太赫茲傳播特性不僅和距離相關(guān)，還具有頻率選擇性，這使得太赫茲網(wǎng)絡(luò)干擾建模與分析變得更加困難。此外，定向天線(xiàn)的使用導(dǎo)致“耳聾效應(yīng)”，使得鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)困難。而感知能力給太赫茲組網(wǎng)帶來(lái)了新的增量，對(duì)系統(tǒng)干擾、節(jié)點(diǎn)位置、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化的感知，大大降低了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不確定性，避免了復(fù)雜的空間搜索，使得在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)所有可靠通信的鄰居節(jié)點(diǎn)成為可能。

3.5 通信輔助的分布式協(xié)同感知技術(shù)

未來(lái)6G無(wú)線(xiàn)通信中，太赫茲通信技術(shù)將與其他低頻段通信網(wǎng)絡(luò)融合組網(wǎng)，廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，搭載太空衛(wèi)星、空中無(wú)人機(jī)、飛艇等平臺(tái)，作為無(wú)線(xiàn)中繼設(shè)備，應(yīng)用于空天地海多層次一體化通信[21]，并融合感知技術(shù)，成為未來(lái)社會(huì)智能信息融合連接的重要支撐。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具備通信感知一體化功能后，能夠感知所處的物理空間，獲得空間中物體的類(lèi)型、物體對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響等信息。同時(shí)，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與附近的一個(gè)或多個(gè)接入點(diǎn)建立連接，與其他節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息共享；通過(guò)信息的融合，網(wǎng)絡(luò)可獲得全局感知信息，進(jìn)而使能更大的感知視野和任務(wù)響應(yīng)速度。

3.6 智能資源管理

面向6G的太赫茲通信感知一體化系統(tǒng)性能優(yōu)化涉及復(fù)雜多維資源的處理及優(yōu)化問(wèn)題，如時(shí)域、頻域、空域、碼域資源，射頻器件資源，基帶信號(hào)處理單元等；此外，一體化系統(tǒng)性能優(yōu)化涉及多目標(biāo)性能優(yōu)化問(wèn)題，且優(yōu)化問(wèn)題本身還不明朗，隨感知任務(wù)及感知環(huán)境變化而改變。針對(duì)這類(lèi)高維數(shù)多約束的非線(xiàn)性組合優(yōu)化問(wèn)題，機(jī)器學(xué)習(xí)等方法在性能增強(qiáng)或計(jì)算復(fù)雜度降低方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

將AI應(yīng)用到空口傳輸設(shè)計(jì)、無(wú)線(xiàn)資源管理、網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用增強(qiáng)以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等各個(gè)方面，形成多層深度集成的智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，從而達(dá)到較好效果。例如太赫茲信號(hào)衰減嚴(yán)重且衍射能力較弱，因此太赫茲出現(xiàn)阻塞的概率極高。而構(gòu)造序列標(biāo)記并利用智能監(jiān)督學(xué)習(xí)等方法來(lái)預(yù)測(cè)并獲取最優(yōu)主動(dòng)切換基站信息，可以防止由阻塞導(dǎo)致的突然鏈路斷開(kāi)，提高通信鏈路的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)正在實(shí)現(xiàn)從互聯(lián)的人到萬(wàn)物互聯(lián)，而未來(lái)的6G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物“智聯(lián)”，助力人類(lèi)走進(jìn)虛擬與現(xiàn)實(shí)深度融合的全新時(shí)代。與面向人的網(wǎng)絡(luò)不同，未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)連接大量“智能”的通信設(shè)備，這些通信節(jié)點(diǎn)將同時(shí)具有感知其周?chē)h(huán)境的能力，并能夠與周?chē)?jié)點(diǎn)進(jìn)行通信以交換感知信息形成通信信息網(wǎng)絡(luò)。

雷達(dá)探測(cè)理論表明，擴(kuò)大感知帶寬或者提升工作頻率(波長(zhǎng)減小)可直接提升感知精度；同時(shí)，香農(nóng)信息論表明，擴(kuò)大通信帶寬可直接提升傳輸速率。工作頻率在0.1～10 THz的太赫茲頻段，比5G毫米波的帶寬高50倍；比厘米波工作頻率提升至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。太赫茲等更高頻段的使用除了能支持超高速數(shù)據(jù)傳輸，還能加強(qiáng)對(duì)環(huán)境和周?chē)畔⒌墨@取能力，無(wú)線(xiàn)感知通信也因此在頻段(太赫茲)和收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)等方面逐漸趨近。

6G的特征與感知通信一體化訴求、通信感知一體化系統(tǒng)應(yīng)用太赫茲技術(shù)的優(yōu)勢(shì)等都表明，資源功能一體化的模式和太赫茲技術(shù)的應(yīng)用是感知通信一體化技術(shù)必不可少且極具潛力的發(fā)展方向。未來(lái)研究需要進(jìn)一步克服的是感知和通信本身的基礎(chǔ)差異、一體化器件以及信號(hào)的融合設(shè)計(jì)等問(wèn)題，突破感知輔助的高效通信與組網(wǎng)技術(shù)以及通信輔助的分布式協(xié)同感知技術(shù)。此外，人工智能的發(fā)展為感知通信一體化技術(shù)提供了全新的思路；融合人工智能的感通算一體化技術(shù)也是未來(lái)的重要發(fā)展趨勢(shì)。