6G通信感知一体化系统的性能指标

江甲沫 韩凯峰 徐晓燕

摘要：面向6G通信感知一体化（ISAC）系统，从业务共存、能力互助、网络共惠3个阶段研究了技术演进趋势，明确给出各阶段的系统设计目标和性能指标需求。从通信性能、感知性能、资源分配和应用场景等维度，提出影响6G ISAC系统性能的四维边界因素。基于提出的通感效率和通感效用两个新的性能指标，仿真评估了典型场景下的通信感知一体化系统性能，为后续进一步开展6G ISAC的系统设计和评估验证工作提供了重要参考。

关键词：ISAC；性能指标；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6G将向毫米波、太赫兹等更高频段发展，与感知频段逐步交叠，孕育并催生通信感知一体化技术，以赋予6G网络随时随地感知物理世界的能力[1]。作为新一代智能化综合数字信息基础设施，6G将与先进计算、大数据、人工智能等信息技术交叉融合，实现通信与感知、计算、控制的深度融合，逐步具备泛在互联、普惠智能、多维感知、全域覆盖、绿色低碳、内生安全等典型特征[2]。在6G的典型场景和业务中，通信感知融合将成为具有代表性的新增场景和新型业务。6G通信感知一体化技术将利用无线通信信号，实现对目标的检测、定位、识别、成像等感知功能，进而获取和重构周围的环境信息，推动6G网络进入物理世界和数字世界融合的数字孪生时代。国际电信联盟（ITU）面向2030的未来技术趋势研究报告指出，通信感知一体化技术将成为新一代移动通信系统最有潜力的关键技术方向之一[3]。

对于6G通信感知一体化系统的性能指标设计，业界进行了多种探索。一方面，在通信感知一体化系统的通信和感知功能并存场景下，在保证通信或者感知功能性能需求的同时，对另一部分功能的性能进行优化。文献[4]提出了在保证用户需求的信干噪比的情况下，最小化通信感知一体化系统的克拉美罗界（CRB），进而提升通信感知一体化系统的感知性能。另一方面，考虑是否有新的性能指标定义形式，综合表征通信感知两种功能的联合性能。例如，部分学者基于感知互信息与时间的比值提出“估计速率”的概念[5]。文献[6]研究了基于频率资源复用的通信天线和感知天线的位置排列问题，提出了以最大化互信息（MI）作为优化目标的思路。文献[7]提出了将传统通信指标和感知指标以加权的方式作为通感一体化的联合指标的方法，并设计了“加权频谱效率”的新指标。该指标由通信容量和估计速率加权构成。文献[8]则以误码率和CRB加权作为新指标，研究了以最小化该指标为目标的波形设计方案。在组网技术方面，部分学者提出了“移动感知网络”组网概念[9]，探讨了通信感知一体化系统在网络层面的性能指标。但总体来说，对于6G通信感知一体化性能指标的研究，业界尚未形成共识。

目前，面向6G通感一体化的研究还存在融合演进路径不清、联合性能刻画维度模型难以建立、关键性能指标缺失等问题。为此，我们在第1章中，基于通信与感知能力协同水平，研究了“业务共存、能力互助、网络共惠”通感一体化融合演进路径，以明确各演进阶段系统设计目标和性能指标需求；在第2章中，依据效率、可靠性、网络化等指标类型，对通信和感知性能指标进行梳理和分类，并基于“通信性能、感知性能、资源分配、应用场景”等4个维度，提出刻画通感一体化业务共存阶段的性能边界体系架构，为通感性能极限等理论研究提供分析框架；在第3章中，创新地提出“通感效率”指标和“通感效用”指标，分别刻画单位感知精度下的可达通信容量以及最优通信和感知性能的可实现程度，并针对典型通感业务进行仿真验证，为开展6G通感评估与测试工作提供重要参考；最后在第4章中对全文进行总结，并提出下一步的研究方向。

1通感性能指标的需求

在6G通信感知一体化的技术发展过程中，通信与感知将分阶段、分层次融合演进，其技术趋势主要包括业务共存、能力互助、网络共惠3个阶段（图1所示）。基于以上3个阶段的发展，最终6G的内生感知能力将得以实现。在通信感知一体化技术发展的不同阶段，面对不同的技术关注点和业务需求，系统性能也有不同的优化方向。因此，我们应考虑不同的通信感知一体化系统的性能指标。

（1）根据可用资源刻画最优性能边界及可达性能域。资源分配维度主要包括时域、频域、空域、码域、能量域等可用资源维度。在给定资源条件下，根据资源分配策略来权衡通信与感知性能，并由此刻画出在该资源条件下的最优性能边界及可达性能域。

（2）针对不同的应用场景选择适配的性能指标组合。感知性能指标与感知业务场景强相关，因此需要根据不同的通感应用场景，灵活选择适宜的通信和感知性能指标组合。

（3）在给定有限可用资源的情况下，需要着重研究并定义“通感效率/效用”指标。在考虑不同通感技术方案的横向优劣对比时，建议在给定可用资源的情况下，比较可达感知和通信的性能，即比较不同技术方案的“通感效率/效用”指标。

3.1新性能指标的定义

本节首先给出通感效率和通感效用两个关于6G通信感知一体化的性能指标新定义。

（1）通感效率指标

圖6给出了通感效率随着导频数量的变化趋势曲线。特别地，当信噪比设置为20 dB，κ设置为0.1时，如图6所示，测距和测速的通感效率均随着导频数量的增加呈现先增大至最大值后递减的趋势。这是由于当导频数量较少时，增加导频数量可以提升感知的准确度。此时提升信道估计的精度可以增加信道容量，从而提高通感效率。然而，当导频数量足够多时，信道估计的精度和感知的准确度趋于饱和。继续增加导频数量会使得数据传输的可用资源减小，降低信道容量，进而降低通感效率。因此，我们可以通过设计并优化导频分配方案来提升通感一体化系统的通感效率。

图7（a）和图7（b）分别给出了测距通感效率和测速通感效率随信噪比的变化趋势曲线。特别地，当载波波长设置为λ= 5 mm时，如图7所示，相较于固定导频数的3种方案，最优的导频分配方案能够始终实现通感效率的最大化。如图7（a）所示的测距通感效率，当信噪比较低时，为实现通感效率的最大化，一定数量的导频资源是必要的；当信噪比较高时，随着信道估计增益和感知精度的饱和，较少导频资源开销能够提供更优的通感效率。如图7（b）所示的测速通感效率，少量导频资源的分配方案在全信噪比下获得的通感效率都较低；大量导频资源的分配方案获得的通感效率会随着信噪比的增加而缓慢提升，这说明测速业务需要合适数量的导频资源以实现通信业务和感知业务间的性能平衡。此外，从图7（a）和图7（b）还可以看出：对于不同的感知业务，导频的最优分配方案也存在着显著的差异，因此不同业务需要定制化设计资源分配方案。

图8（a）和图8（b）分别给出了测距通感效用和测速通感效用随导频数量的变化趋势曲线。如图8（a）所示的测距通感效用曲线，当η= 0.4时，由于更侧重于业务的感知功能，通感效用在将全部资源用作导频时取得最大值。然而此时通信业务不能正常进行，因此需要设置一个保障通信功能正常运行的阈值。当η= 0.5时，业务的通信功能和感知功能并重，此时可以通过设计导频资源分配的优化方案使系统的通感效用达到最大。当η= 0.6时，由于更侧重于业务的通信功能，通感效用在导频数量较少时取得最大值，为了满足感知业务的测参精度要求，也需要设置一个保障感知功能正常运行的阈值。如图8（b）所示，测试通感效用曲线包含极大和极小两个峰值。为了避免过多的性能资源浪费，我们在进行通感一体化设计时需要规避极小值区间的可行资源分配方案。

4结束语

通信感知一体化技术已经被广泛认为是6G通信系统中最具潜力的关键技术之一，而多维感知的业务需求也对6G通信系统的设计和通信感知一体化技术的发展提出了更高的要求。随着6G通信系统的愿景、需求、指标、关键技术、评估和验证的发展，在标准推动的过程中，性能指标的设计将成为关键要素之一。如何在不同的技术演进阶段、不同的业务场景下充分评价通信感知一体化的性能，将一直是后续相关领域技术发展的基础。

致谢

中国信息通信研究院沈霞副高级工程师、徐明枫工程师在本研究中承担了重要工作，对他们表示感谢！同时本研究得到了北京邮电大学赵中原副教授的帮助，在此一并感谢！

参考文献

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[2] IMT-2030（6G）推进组. 6G典型场景和关键能力[R]. 2022

[3] ITU-R WP5D.未来技术趋势研究报告[R]. 2022

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[5] CHIRIYATH A R， PAUL B， JACYNA G M， et al. Inner bounds on performanceofradarandcommunicationsco-existence[J].IEEE transactions on signal processing， 2016， 64（2）： 464-474. DOI： 10.1109/ TSP.2015.2483485

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[7] CHIRIYATH A R， PAUL B， BLISS D W. Radar-communications convergence： coexistence， cooperation， and co-design [J]. IEEE transactions on cognitive communicationsandnetworking，2017，3（1）：1-12.DOI：10.1109/ TCCN.2017.2666266

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作者簡介

江甲沫，中国信息通信研究院主任工程师、中国通信标准化协会无线通信技术工作委员会前沿无线技术工作组组长；主要研究方向为6G通信感知一体化、6G无线与人工智能融合、6G原型验证系统设计等；主持和参与多项国家级和省部级项目，获省部级科技成果奖项一等奖2项；发表论文30余篇。

韩凯峰，中国信息通信研究院副高级工程师；主要研究方向为面向6G的无线人工智能、通信感知一体化技术；主持和参与省部级研究项目4项、中国通信学会研究课题7项；发表论文30余篇。

徐晓燕，中国信息通信研究院副高级工程师；主要研究方向为面向6G的技术预研、ITU相关标准制定等。