热点技术学习笔记之三:ISAC

与ISAC关系密切的是联合通信与感知（Joint Communication and Sensing - JCAS），是一种极具发展潜力的候选技术。下一代无线标准代表着一次重大变革，其发展动力源于自动驾驶、工业物联网 (IIoT)、无人机 (UAV) 监控、远程医疗、数字孪生以及增强型安全等应用，这些应用充分利用了FR3的高速、毫米级分辨率能力。更重要的是，无线和传感技术的研究和产业进步催生了ISAC等框架，该框架将传感和通信集成于单一系统中。ISAC 被国际电信联盟认定为6G六大关键应用场景之一，并日益受到关注（参考2030及未来移动通信网络技术趋势展望（转自ITU M.2516-0）和几个决定6G规划及进程的事件及文档（迄今为止ITU和3GPP））。3GPP定义了32个用例，以指导其在未来移动系统中的集成。因此，ISAC近期因其能够提高频谱和能源效率，并使两种服务互惠互利，而作为6G技术使能者引起了广泛关注。在3GPP R19中，有多个WI专门针对传感和通信应用。其目标是开发一种基于3GPP的ISAC服务，使3GPP系统能够感知目标信息，例如被动目标（即不发射信号的目标）的形状、大小、速度、位置和空气质量。联合传感与通信 (JSAC) 和ISAC之间存在细微差别：JSAC通常涉及使用主要用于通信的信号进行传感。 ISAC代表了一种更集成的方法，其中感知和通信功能共存于同一系统（例如，同一gNB）中，并且可以使用不同的信号甚至不同的载波。JSAC和ISAC的主要区别列于下表中：

总而言之，JSAC侧重于使用通信信号进行感知，而ISAC则涉及在同一系统中更全面地集成感知和通信，并且可能为每个功能使用不同的信号或载波。ISAC将被动（未连接）物体的感知和空间定位集成到移动通信网络中，从而扩展了网络的功能，使其超越了单纯的通信。由于可以复用大部分已部署用于通信的网络设备，ISAC的顺利引入将更加容易。多年来，ISAC 一直是学术界和工业界研究的热点。3GPP SA技术规范组“服务和系统方面”在其R19中发布了关于用例和需求的详细技术报告和规范。

Part1: ISAC应用案例

3GPP技术报告列出了ISAC的32个潜在应用案例。其中包括与无人驾驶飞行器 (UAV)、交通运输和工业相关的应用案例等。这32个用例如下：

ISAC在无人机领域的应用

无人机的探测和跟踪是ISAC目前最受关注的应用之一。一个具体的例子是关键基础设施的保护，其中已部署的移动通信网络可用于探测禁飞区内的无人机。ISAC还可以用于追踪“友方”无人机，并为无人机交通管理系统提供辅助数据，以辅助其导航和避障。在许多司法管辖区，无人机必须发送信标以避免相互碰撞，而ISAC可以作为此类系统的补充。

关于无人机的背景可参考如下文章：

2025随手记（4）R18中5G无人机及无人航空器系统演进

2022宏文（12）R17--Building Blocks for UAV Applications

5G 无人机系统（UAS）及其Usecase们

宏文2022（8）3GPP 5G UAS（无人机/无人飞行器）系统综述

随手记2022（38）3GPP 5G UAS（无人机/无人飞行器）系统--架构与功能

随手记2022（56）3GPP UAS（无人机/无人飞行器）系统-- R17相关更新

ISAC在交通运输和汽车领域的应用

ISAC在智能交通领域也能发挥重要作用。大多数现代汽车都配备了车载传感器——例如雷达、激光雷达和摄像头——这些传感器可以帮助汽车了解其周围环境。然而，车载系统无法提供更远距离的信息，也无法“看到拐角处的情况”。ISAC系统可以利用车载传感器无法获取的更“全局”数据来补充车载传感器数据。另一个与汽车相关的例子是检测高速公路上的行人或动物。非汽车运输，例如铁路运输，可以受益于ISAC移动网络——尤其是专用铁路部署——该网络可用于检测轨道上的人员、动物或障碍物，并将这些信息传递给列车引导系统以采取应对措施。

ISAC在工业和物流领域的应用

现代工业和物流运营通常使用自动导引车（AGV）和自主移动机器人（AMR）。同时，越来越多的行业依赖于部署的专用无线网络，以满足工业和物流运营的特殊需求。ISAC可以部署在这些网络中，不仅辅助AGV/AMR导航，还可以避免AGV、AMR与人员之间的碰撞。

沉浸式感知

沉浸式感知是更具未来感的应用场景。ISAC有助于构建物理世界的数字表示，即所谓的数字孪生。对于移动网络而言，数字孪生代表物理世界，可用于模拟和预测网络性能。数字孪生显然不仅限于移动网络，它还可以代表任何需要进行数字化模拟的物理世界。例如，在扩展现实游戏中，物理环境通过其数字孪生融入到游戏中。

ISAC用于提升移动网络性能

ISAC也可用于提升移动网络自身的性能。例如，众所周知，毫米波 (mmWave) 通信在发射器和接收器之间具有视距 (LoS) 时性能最佳。ISAC可用于主动检测潜在的视距中断（例如，由于车辆接近），并使网络能够主动切换用于与接收器通信的波束，或将其切换到另一个传输点。

举例说明：

在3GPP TR 22.837中，ISAC确定了32个用例。JCAS准备小组已确定“工厂中的 AGV检测和跟踪”是室内工厂 (InF) 和仓库的适用用例，可在室内场景 (InF) 下进行研究。类似地，“无人机飞行轨迹跟踪”是室外场景 (UMi) 的适用用例。下图展示了室内工厂环境中自动导引车 (AGV) 的存在和接近检测用例：

类似地，下图展示了在密集城市测试环境 (UMi) 中无人机飞行轨迹跟踪的示例，即密集城市场景中的无人机飞行轨迹跟踪：

在考虑任何感知目标用例时，一个关键问题是，在给定的ISAC环境中，感知任务是否受链路预算的限制。在典型假设下，链路预算对于所考虑的ISAC用例很少成为问题。例如，从纯粹的链路预算角度来看，在FR1、FR2和FR3条件下，无人机的检测范围通常只有几公里。对于室内环境，AGV的检测也不受链路预算的限制。需要注意的是，在所有这些应用场景中，都需要识别多个目标。事实上，这正是6G ISAC的一个显著特征：利用宽波束探测多个目标。大多数雷达系统通常设计用于识别少量目标。因此，对6G ISAC波形的研究应包括理解分辨率与目标探测数量之间的权衡。

Part2：不同的集成级别

“集成”一词在集成感知与通信中可以指代不同的集成级别，参见下图所示的ISAC系统中的不同集成级别：

在最低的集成级别，通信和感知共享站点，但站点上的频谱和硬件均不共享。更深的集成级别在通信和感知之间共享频谱，之后是站点上部署的硬件的共享。站点、频谱和硬件的共享是最重要的集成步骤，因为它们能够利用现有的通信基础设施进行感知。更深的集成级别使用相同的波形进行感知和通信，并复用通信信号进行感知。6G将基于正交频分复用 (OFDM)，因此，6G中的感知也应基于OFDM。最深的集成级别涉及复用已发送的通信信号。虽然这种方法可以降低开销和能耗，但它仅适用于已传输的通信信号具备传感所需的特性（例如，以正确的方向传输且带宽充足等）。因此这种最深层次的集成是ISAC后期阶段需要优化的部分。为了使ISAC真正发挥作用，它必须集成到网络平台中，并为外部应用程序和服务提供暴露接口。该暴露 API 将发布网络的传感能力，接收传感请求，并提供传感结果。这使得应用程序开发人员能够开发依赖于传感的新服务。

Part3：感知信号与处理

基于脉冲多普勒雷达原理构建ISAC系统，因为脉冲多普勒雷达易于集成到OFDM通信资源网格中，如下图所示：

对每个接收到的脉冲进行匹配滤波，以获得相关峰值，该峰值指示目标距离。距离分辨率和精度随带宽的增加而提高。由于目标移动，发射机-目标-接收机之间的传播距离会发生变化，也就是说，接收到的脉冲的相位会根据距离的变化而变化，从而影响目标速度。通过比较连续接收到的感知脉冲之间的相位，可以确定目标速度。两个脉冲在时间上越接近，可以明确估计的速度就越高。速度分辨率随脉冲序列总持续时间的增加而提高。

Part4：ISAC频谱

6G的频谱信息可参考如下文章：

6G频谱简要分析汇总（截至2025年中）

下图展示了在2030年左右可用的所有频段，

6G将能够复用所有现有的5G频率（多层频谱）FR1频段（0.41 GHz至7.125 GHz）提供广域覆盖，并可提供高达100MHz的中频段TDD频谱信道带宽。大带宽和天线阵列分别提供良好的距离分辨率和角度分辨率，这对于ISAC应用至关重要。低频段FDD频段的信道带宽通常限制在20MHz，因此这些频段对于需要高分辨率的ISAC应用来说吸引力不大。毫米波频谱（也称为FR2频段，频率范围为24.25GHz至71.0GHz）提供数百兆赫兹的带宽。其短波长允许使用包含数百个天线单元的大型天线。这两个因素使得毫米波频谱对需要高分辨率的传感应用极具吸引力。毫米波部署的覆盖范围较小，通常部署在热点区域或室内。因此，使用这些频率的ISAC应用只能在有限的覆盖范围内使用。高分辨率和局部覆盖使得毫米波频谱成为工业ISAC应用的理想频段。厘米波（cmWave）频谱（频率范围为7-15GHz）是6G的一个重要的潜在频谱补充。它提供宽带宽，并且在部署大型天线阵列时，可以复用中频段部署网格。本质上，它结合了毫米波的带宽和中频段的覆盖范围。它支持需要在大覆盖范围内提供高分辨率的应用场景。预计6G早期不会引入太赫兹以下频谱（100 GHz及以上）。

使用NR参考信号时的传感局限性。fc= 30 GHz，μ = 120 kHz:

Part5：传感系统的拓扑

传统的雷达拓扑是单站式，即使用同一节点作为发射机和接收机，如下图a所示。根据与目标的距离（延迟），在最早的回波到达时，传感信号的传输可能仍在进行中。在ISAC系统中，我们通常需要检测近距离目标。例如，在50米的距离下，反射信号会在333纳秒后到达。这与中频TDD部署中使用的33微秒OFDM符号持续时间相比，差异显著。持续的传输会在接收微弱的目标反射信号时产生强烈的自干扰。为了应对强烈的自干扰，接收机必须能够全双工运行，这就需要复杂的无线电和天线解决方案。或者，短的感知脉冲结合快速的收发切换，可以确保感知信号的传输在目标回波到达之前结束。全双工和快速收发切换都更适合FR2而非FR1，这使得单基地ISAC对FR2比对FR1更具吸引力。图b展示了一个双基地感知系统，该系统通过使用不同的节点作为发射器和接收器来避免自干扰。精确的目标定位和速度估计需要发射器和接收器之间严格的时间和频率同步，通常比通信所需的同步精度要高得多。为了避免每个节点的同步精度远高于通信所需的精度，我们建议使用空中同步：接收器监听通过参考路径（最好是视距路径或稳定且特性明确的非视距路径）接收到的信号，并从该信号获取同步信息。类似的方法是基于无线接口的同步，目前已用于基站的空中同步。多基地传感是双基地传感的扩展，它结合了多个双基地传感链路，如图c所示。

从拓扑结构的角度来看，感知可以是单站式的，其中感知发射和接收位于同一设备（网络节点或用户设备）上；也可以是双站式的，其中发射和接收实体是分离的。双站式感知的一个例子是一个设备（网络节点或用户设备）充当感知发射机，另一个设备（网络节点或用户设备）充当感知接收机。单站式感知需要全双工能力，而双站式感知则需要发射机和接收机之间精确同步。对于多普勒估计，还需要精确的相位同步。根据用户设备参与过程的情况，感知拓扑结构可以进一步分为三类：

> 基于网络的无线感知，其中感知测量过程（包括感知发射、接收和测量）由一个或多个网络节点执行。

> UE辅助的无线感知，其中感知测量过程由网络配置，并在一个或多个用户设备的辅助下执行。

> 基于用户设备 (UE) 的无线感知操作，其中无线感知测量无需网络节点参与即可完成，无需进行感知信号的发送和接收。

下图展示了感知拓扑结构。在这方面，应结合不同UE类别的感知能力、同步性和资源可用性来考虑UE在感知操作中的参与情况：

上图的感知测量过程的示例拓扑结构，描绘了：

(a) 基于网络的单站感知

(b) 基于网络的双站感知

(c) 和 (d) 基于UE的单站和双站感知

(e) 和 (f) UE 辅助的双站感知）

Part6：感知的要求

ITU-R输出文件中列出的基本感知任务包括检测、特征描述和定位，可描述如下（以下描述并非来自输出文件）：

> 检测，例如：物体存在/不存在、运动/姿态、状态

> 特征描述，例如：物体（大小、分类、特征提取）、运动/姿态（方向、速度/速率、分类）、状态（分类）

> 定位，特别是位置

需要为每项感知任务设定相应的能力要求。例如，定位的水平和垂直精度，或空间分辨率，后者与能够检测的物体大小的精度相关。也可能存在复合感知任务，其中可能包含多个重复的基本感知任务（例如，用于监测或跟踪）。需要注意的是，在某些情况下，对于不同的感知任务（例如检测和特征描述），给定的要求（例如，检测概率）可能有所不同。ITU-R Roadmap工作组的小组已要求JCAS就绪小组讨论一份基于ITU-R输出文件中的清单的精简版能力清单。建议根据以下提案将感知能力清单限制为基本能力集，因为其他能力要么是测试环境本身固有的（例如，感知范围），要么与以下提案中列出的基本能力相关和/或依赖于这些基本能力。

NGA向ITU WP 5D提交的报告中提出了以下感知需求定义：

传感需求可能可以用两张表格来概括，每张表格对应一个测试环境，如下所示的室内和室外环境下的传感能力：

这里需要注意的是，室内目标环境（TE）可以是工厂（例如，用于AGV检测）或热点（例如，用于人体/物体检测）。室外目标环境（TE）可以是城市和/或郊区宏环境（室外目标环境下可能有两种配置）。上表中的目标值仅供参考。

Part7：感知性能的挑战

动态范围反映了信号分量最高功率和最低功率之间的比率。它决定了接收机模数转换器 (ADC) 为最大限度减少通信和感知量化误差所需的比特数。在双基地场景中，发射基站和接收感知单元地理位置分离，会产生一些额外的挑战，这些挑战会影响感知性能。下图展示了接收机同时执行感知和通信的场景：

此处感知面临的挑战之一是，当与直接链路存在多径信道时，如何提取受双路径损耗影响的感知信息。如果动态范围无限，这不会成为问题。但是，在功耗限制下，ADC 的性能有限，在这种约束条件下执行感知的理想方法的选项如何？。波束成形可以帮助聚焦于某些区域，同时消除其他区域，从而在各个感兴趣的路径之间取得平衡。这样一来，机会感知条件便可充分利用动态范围。例如，时分双工是另一种机会解决方案，它赋予感知在特定时隙内完全的优先级；然后在需要时进行通信。文献[21]描述了一种方法，该方法可以进行协作波束成形，以平衡ISAC系统所需的动态范围。不同应用场景对感知的要求各不相同。这里以三个主要应用为例：企业工厂和仓库的安全、道路监控以及无人机跟踪和入侵检测。对于工厂和仓库的安全应用，系统必须达到与URLLC类似的极高可靠性和高分辨率（小于1米），以便在复杂的室内环境中准确检测物体和人员。道路监控需要广泛的覆盖范围和中/高分辨率（1至5米），以便有效区分车辆和行人，同时还要应对在动态室外环境中保持性能一致性的挑战。无人机追踪和入侵检测需要远距离（公里级）检测和广域覆盖，同时还要符合电磁场限制，从而在探测范围和合规性之间取得平衡。这些应用引发了关于6G传感技术能否满足这些严格要求以及预期性能结果的关键研究问题。无线通信系统中的传感技术受到多种因素的限制，包括：

为了优化无线通信系统中传感应用的性能，必须谨慎管理这些限制。支持ISAC的无线网络预计会面临动态范围方面的挑战，尤其是在处理单路径损耗和双路径损耗场景下的信号时。这是因为动态范围（粗略地说，它是信号分量最高功率和最低功率之间的比率）在决定ADC必须分配的比特数方面起着关键作用，从而减少信号处理过程中的量化误差。然而，增加比特数会显著增加功耗。因此，识别并关注最相关的信号分量对于有效管理动态范围至关重要。现有设计通常忽略了实际接收器有限的动态范围所带来的限制，该动态范围衡量的是在存在强信号的情况下准确检测弱信号的能力。这种限制在ISAC中尤为重要，因为强信号可能会无意中掩盖弱信号。例如，当来自发射器的视距（LOS）通信信号掩盖了由于目标反射而经历双路径损耗的较弱传感回波时，就会出现这种情况。这种干扰可能比所需的传感信号高出 100 dB 以上，如果处理不当，会压垮接收机的输入链路。对于无杂波的单目标场景，只有两条主要路径主导传输模型，直接影响ADC的动态范围要求。为了确保接收到的目标回波在热噪声水平下可检测，ADC的动态范围必须满足最小阈值，该阈值能够检测到从视距 (LOS) 到反射功率的整个范围。虽然具有无限分辨率的理想ADC可以检测到非常微弱的信号，但目前的ADC缺乏捕捉视距 (LOS) 信号和较弱反射信号之间完整功率差所需的动态范围，这可能导致在量化过程中丢失关键的传感数据。此外，ADC的动态范围反映了其最大可达到的信噪比 (SNR)，其计算公式为 SNR = 6.02 NENOB + 1.76，其中NENOB代表有效比特数。这种有效分辨率考虑了实际模数转换器 (ADC) 的限制，例如：削波、抖动和非线性，这些因素通常会将有效位深度降低到低于ADC的标称值。例如，一个14位ADC在实际应用中可能只能提供大约11位。由于量化器会显著增加ADC的功耗，因此，增加位深度会直接导致更高的功耗和成本。就信息共享与自动控制 (ISAC) 而言，如果一个系统要在同一时间、频率和空间资源内集成同步传感和通信，ISAC系统必须仔细平衡动态范围需求，以优化功耗并确保精确的信号处理。

Part8:总结陈词

传统感知需要与目标之间存在视距 (LoS)。视距的概率取决于环境和目标位置。虽然对于无人机等空中目标而言，视距通常很容易实现，但对于地面目标而言，视距可能是一个挑战：移动网络的部署虽然可以最大限度地减少与多个收发点之间的视距，但即使是单个视距链路的概率也可能因环境障碍而降低。集成终端用户设备（早期仅限于运营商部署的设备）、部署专用感知接收器、提高网络密度以及潜在的先进非视距感知算法可以缓解这一挑战。使用基站的单基地和双基地感知应在TDD模式下使用下行链路时隙，以最大限度地减少对通信的干扰：从设备的角度来看，干扰性的感知传输与其他任何干扰性的下行链路通信信号类似。然而，接收基站需要在网络处于下行链路阶段时接收微弱的目标反射信号，也就是说，会发生来自相邻载波/扇区/站点/运营商的交叉链路干扰。这种干扰可能非常严重，需要采取缓解措施，例如发射机之间的协调。

总之，ISAC是一项令人振奋的新技术，已在学术界引起广泛关注。ISAC的标准化工作作为6G预研的重要组成部分也正在进行中，3GPP技术规范组SA TSG已完成用例和需求研究，而3GPP技术规范组RAN TSG正在进行ISAC信道建模研究。我们看到了ISAC的技术潜力，但必须认识到，ISAC的发展仍处于早期阶段，在全面实现之前，还有许多挑战需要克服。ISAC的首个标准化版本将包含在6G的初始版本R21中。ISAC系统的研究结果已经展示了其在革新通信和传感能力方面的潜力，必将推动技术进步和产业发展。

热点技术学习笔记系列文章：

热点技术学习笔记之一：生成式AI-GenAI

热点技术学习笔记之二：AI RAN部署于5G和6G网络

参考文档：

1. TS 22.137 Integrated Sensing and Communication

2. TR 22.837 Study on Integrated Sensing and Communication

3. https://liu.se/en/research/isac

4. https://arxiv.org/pdf/2512.03506

ITU-R, “Minimum requirements related to technical performance for IMT-2030 radio interface(s),” internal document, July 1, 2024

5. ITU-R, “Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-2020,” https://www.itu.int/pub/R-REP-M.2412 

6. 3GPP TR 38.901, “Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz,” Dec. 2019. 

7. 3GPP TSG SA, “Feasibility Study on Integrated Sensing and Communication (Release 19),” TR 22.837 V19.4.0 (2024-06) 

8. 3GPP TSG SA, “Service requirements for Integrated Sensing and Communication (Release 19),” TS 22.137 V19.1.0 (2024-06) 

9. 3GPP TSG-SA WG1, Meeting #97e, https://www.3gpp.org/ftp/tsg_sa/WG1_Serv/TSGS1_97e_EM_Feb2022/temp_r eport /doc_list_SA1_97e_Enf_Of_Meeting_agenda_order.docx

10. 3GPP SA3-e(AH) for Release 19 SID/WID Workshop, “New SID on security aspects of Integrated Sensing and Communication,” 

11. 3GPP TR 22.870, “Study on 6G Use Cases and Service Requirements,”

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