一、 引言
通信感知一體化（通感一體化）是將通信和感知功能結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的系統(tǒng)。這種整合不僅提供更廣泛的應(yīng)用和更多的價(jià)值，還提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。通感一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯著，前景可期， 例如：
優(yōu)化資源利用：通感一體化幫助系統(tǒng)更好地利用資源，包括無(wú)線(xiàn)頻譜、感應(yīng)器和計(jì)算資源等。通過(guò)整合通信和感知功能，系統(tǒng)可以更有效地協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)配置和利用。
提高系統(tǒng)效率：通感一體化實(shí)現(xiàn)了信息的實(shí)時(shí)收集和傳輸，使系統(tǒng)能更好地理解和回應(yīng)環(huán)境中的變化，進(jìn)而提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和運(yùn)作效率。
拓展應(yīng)用領(lǐng)域：通感一體化提供了擴(kuò)展系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的可能性，可應(yīng)用于智慧城市、智慧出行、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療保健等各個(gè)領(lǐng)域。這種整合為不同領(lǐng)域帶來(lái)更多創(chuàng)新和價(jià)值。
香港應(yīng)用科技研究院（應(yīng)科院）利用其在5G領(lǐng)域積累的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和研發(fā)成果，開(kāi)展了多項(xiàng)通感一體化技術(shù)的研究來(lái)滿(mǎn)足這些不斷變化的需求， 包括開(kāi)發(fā)和提升應(yīng)科院5G基站的關(guān)鍵技術(shù)以支援通感一體化；及利用科技生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴提供的真實(shí)感測(cè)資料，測(cè)試應(yīng)科院演算法的物件偵測(cè)能力。
二、應(yīng)科院: 利用5G基站實(shí)現(xiàn)通感一體化技術(shù)
以5G為例，利用5G 無(wú)線(xiàn)基站實(shí)現(xiàn)通感一體化具有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：
5G基站部署密集，提供無(wú)所不在的無(wú)線(xiàn)連接，并且可以輕松、符合經(jīng)濟(jì)效益地升級(jí)以支援感測(cè)應(yīng)用。
5G基站在專(zhuān)用頻譜上發(fā)送和接收無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)，同樣的頻譜可以用來(lái)支持感知與測(cè)量（與受監(jiān)管要求約束的其他雷達(dá)技術(shù)不同）。
根據(jù)市場(chǎng)研究，內(nèi)地、香港及全球的行動(dòng)網(wǎng)路營(yíng)運(yùn)商有意在未來(lái)兩至五年內(nèi)采用通感一體化 技術(shù) [1]。目前，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）也一直在積極研究和推進(jìn)5G基站支持通感一體化的標(biāo)準(zhǔn)制定工作。這包括對(duì)于基站之間的通信和協(xié)作，以及如何最大程度地利用通感技術(shù)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)效能和用戶(hù)體驗(yàn)。透過(guò)通感一體化，5G基站能夠更有效地進(jìn)行波束成形、信號(hào)跟蹤和干擾消除，從而實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率和更好的覆蓋范圍。隨著技術(shù)演進(jìn)和進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)5G基站通感一體化將為智能城市、物聯(lián)網(wǎng)和其他應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)更多創(chuàng)新和價(jià)值。
不過(guò)，利用5G 無(wú)線(xiàn)基站實(shí)現(xiàn)通感一體化也面臨很多挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。
通信與感知任務(wù)之間會(huì)爭(zhēng)奪有限的時(shí)頻資源。如何在通信與感知兩個(gè)任務(wù)之間有效分配時(shí)頻資源、又能達(dá)到一種平衡？
通信采用隨機(jī)信道建模，而感知需要確定性模型。如何對(duì)通信和感知的信道（即目標(biāo)與基站之間的信道）狀況進(jìn)行建模？
接收到的感知信號(hào)弱于背景雜波。 如何設(shè)計(jì)有效的感知算法、來(lái)檢測(cè)反射信號(hào)而不會(huì)被強(qiáng)雜波掩埋？
應(yīng)科院的技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面，有效解決上述的三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：
創(chuàng)新的頻率-時(shí)間頻譜資源分配模式，可以在感測(cè)精度和無(wú)線(xiàn)通信性能之間實(shí)現(xiàn)配置平衡。
模擬感測(cè)訊號(hào)和傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信訊號(hào)的無(wú)線(xiàn)電傳播特性的統(tǒng)一模擬模型。
5G 基站接收器設(shè)計(jì)，提供雜波抑制演算法，以克服背景物體強(qiáng)回聲，并可偵測(cè)和測(cè)量目標(biāo)物體與反射感測(cè)訊號(hào)（即回聲）的距離。
三、應(yīng)科院：通感一體化技術(shù)用例
利用 5G基站實(shí)現(xiàn)通感一體化有兩個(gè)重要的使用案例，描述如下：
用例 1：無(wú)人機(jī)非法入侵偵測(cè)
在內(nèi)陸不少城市，無(wú)人機(jī)入侵事件仍時(shí)有發(fā)生，盡管無(wú)人機(jī)非法飛行可能面臨刑事檢控 [2]。無(wú)人機(jī)非法入侵將會(huì)給公眾帶來(lái)安全隱患等嚴(yán)重問(wèn)題，特別是主要場(chǎng)景包括機(jī)場(chǎng)、鐵路、政府設(shè)施等。使用雷達(dá)偵測(cè)無(wú)人機(jī)有很多限制，例如由于頻譜沒(méi)有授權(quán)，需要提前申請(qǐng)頻譜，從而無(wú)法對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行全天候監(jiān)管。而與雷達(dá)相比，利用5G基站實(shí)現(xiàn)的通感一體化技術(shù)本身已經(jīng)有5G通信頻譜可以使用，無(wú)需額外頻譜即可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)偵測(cè)的高可靠性和穩(wěn)定性，并支持全天候、全日夜感知。應(yīng)科院的技術(shù)可以透過(guò)5G基站（Node B）分析反射訊號(hào)來(lái)偵測(cè)無(wú)人機(jī)的非法入侵、并確定距離和位置。（參考圖1）
圖1：移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)感知示意圖 [3]
用例2：高速公路障礙物偵測(cè)
在香港和內(nèi)地，交通事故一直是嚴(yán)重問(wèn)題。自2019年以來(lái)，兩地每年的交通事故數(shù)量高企。傳統(tǒng)的公路監(jiān)察系統(tǒng)主要依賴(lài)路邊設(shè)施中的傳統(tǒng)感測(cè)器（如雷達(dá)、攝影機(jī)），但這種系統(tǒng)存在著一些問(wèn)題，例如覆蓋范圍有限，需要在指定的區(qū)域部署不同類(lèi)型的設(shè)備，導(dǎo)致成本高昂。然而，利用5G基站通感一體化技術(shù)可以提供更強(qiáng)大的感應(yīng)功能，不受這些限制。利用路邊的5G基站，通感一體化技術(shù)可以利用無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)感知環(huán)境，進(jìn)行障礙物偵測(cè)。更重要的是，如此廣泛的通信覆蓋范圍可以較低的成本實(shí)現(xiàn)廣泛的感應(yīng)覆蓋范圍，同時(shí)支援全天候、全日夜感知。應(yīng)科院的技術(shù)能夠通過(guò)分析反射信號(hào)來(lái)檢測(cè)高速公路上的障礙物并確定距離和位置（參考圖2）。
圖2：行人入侵檢測(cè)示意圖 [4]
下列表 1 提供了傳統(tǒng)感測(cè)技術(shù)與通感一體化技術(shù)的比較。目前，通感一體化技術(shù)已經(jīng)引起了保險(xiǎn)公司的關(guān)注，因?yàn)槠?chē)保險(xiǎn)是保險(xiǎn)公司收入的重要來(lái)源。保險(xiǎn)公司迫切希望采用通感一體化技術(shù)等智慧出行技術(shù)來(lái)降低賠付率。預(yù)計(jì)到2030年，通感一體化技術(shù)將推動(dòng)智慧出行市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到14,027億元，其中約60% 由通感一體化技術(shù)貢獻(xiàn) [5]。一些業(yè)者已經(jīng)與保險(xiǎn)公司簽訂了大額訂單，利用通感一體化技術(shù)減少高速公路事故的發(fā)生。
Table 1: 傳統(tǒng)感測(cè)技術(shù)與通感一體化技術(shù)的比較
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攝影機(jī)/雷射雷達(dá) |
24GHz雷達(dá) |
77GHz雷達(dá) |
通感一體化 |
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容易受到惡劣天氣（雨、霧、雪等）和夜間的影響
成本非常高 |
可依照規(guī)定在非授權(quán)頻譜上工作，
不能全天工作 |
短距離
成本高
難以偵測(cè)到行人 |
使用授權(quán)頻譜
可支援全天候、全天整夜感測(cè)
可以同時(shí)偵測(cè)車(chē)輛和行人
良好的覆蓋范圍
成本低 |
四、總結(jié)
低空經(jīng)濟(jì)、智慧出行等科技加速商業(yè)化發(fā)展，對(duì)城市感測(cè)功能需求殷切。傳統(tǒng)雷達(dá)由于高功率、盲區(qū)問(wèn)題和相當(dāng)大的部署開(kāi)銷(xiāo)，在這些場(chǎng)景下顯得不太可行。應(yīng)科院利用現(xiàn)有 5G 基礎(chǔ)設(shè)施的廣泛覆蓋，整合感測(cè)和通訊兩大功能，以較低的部署成本來(lái)實(shí)現(xiàn)通感一體化技術(shù)。這種整合有效地克服了傳統(tǒng)雷達(dá)的缺點(diǎn)，同時(shí)提供了更靈活、更符合經(jīng)濟(jì)效益的解決方案來(lái)滿(mǎn)足需求，并推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展。這種整合將為未來(lái)的6G通信技術(shù)開(kāi)創(chuàng)更加廣闊的發(fā)展前景，成為開(kāi)啟智慧科技應(yīng)用的全新時(shí)代的新引擎。
參考文獻(xiàn)：
“Research on the Value Evaluation of Integrated Sensing and Communication Technology”, Atlantis Press (atlantis-press.com), https://www.atlantis-press.com/proceedings/icmsem-23/125992499.
https://www.sichuanpeace.gov.cn/pasc/20230721/2769449.html, 成都警方嚴(yán)查無(wú)人機(jī)“黑飛”違法行為 - 四川長(zhǎng)安網(wǎng).
“6G 感知的需求和應(yīng)用場(chǎng)景研究”，IMT-2030 (6G) 推進(jìn)組，2023.
“5G-Advanced 通感融合場(chǎng)景需求研究報(bào)告 (第二版)”, IMT-2020 (5G) 推進(jìn)組，2023-09.
“Research on the Value Evaluation of Integrated Sensing and Communication Technology”, Atlantis Press (atlantis-press.com), https://www.atlantis-press.com/proceedings/icmsem-23/125992499. 
