【2022年第10期】面向6G的卫星通感一体化
2022年第10期目录 | 专题：空天地海一体化
01
专题“空天地海一体化”
《移动通信》2022年第10期
面向6G的卫星通感一体化*
吴晓文1,2，焦侦丰3，刘冰3，凌翔1
（1.电子科技大学，四川 成都 611731；
2.电子科技大学（深圳）高等研究院，广东 深圳 518110；
3.深圳市星网荣耀科技有限公司，广东 深圳 518052）
*基金项目：基础加强计划重点基础研究项目“综合多功能软件定义卫星理论与技术研究”（2020-JCJQ-ZD-126-11）
【摘 要】通信和感知一体化是6G的要害技术之一，但目前的研究主要聚焦于地面移动通信系统，针对卫星通感一体化的研究却鲜有涉及。介绍了通感一体化和面向6G的发展趋势，以及卫星技术的现状和6G天地一体化发展方向，对面向6G的卫星通感一体化及其要害技术，包括星地协作的通感一体化方案、新型通感一体化波形设计、波束赋形和骚乱消除等要害技术进行了探讨和展看，为进一步开展6G卫星通感一体化研究奠定基础。
【要害词】6G；通感一体化；天地一体化；波形设计；波束赋形
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20220907-0001
中图分类号：TN927.23 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2022)10-0002-10
引用格式：吴晓文,焦侦丰,刘冰,等. 面向6G的卫星通感一体化[J]. 移动通信, 2022,46(10): 2-11.
WU Xiaowen, JIAO Zhenfeng, LIU Bing, et al. Satellite Integrated Sensing and Communication for 6G[J]. Mobile Communications, 2022,46(10): 2-11.
0 引言
即便全球受到了新冠疫情波及，但人们对于5G网络建设的投资和创新使用热情依然高涨，2021年，我国移动技术和服务发明了4.5万亿美元的经济附加值，奉献了全球GDP的5%，估量2022年全球5G的总连接数将达到10亿[1]。我国5G网络建设快速推进，截至7月末，5G基站总数达196.8万个，占移动基站总数的18.8%[2]，成为全球首个基于独立组网模式规模建设5G网络的国家[3]。
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与此同时，全球已开展6G研发竞赛，6G研发的重点已从两年前的“场景挖掘”和“技术觅觅”阶段[4]逐步转移到要害技术的探索和研究。ITU-R无线工作组5D（ITU-R WP5D）于2020年2月正式启动了面向2030及6G的研发工作，开始拟订意见草案“2030年及后续IMT愿景”，并征求外部组织的意见，包括但不限于用户和使用趋势、综合治理技术的演变、使用情状、能力、框架和目的等。我国制定的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目的纲要》提出“前瞻布局6G网络技术储备”[5]。科技部自2019年起启动国家级6G科技研发项目，分别提出了包括“与5G/6G合成的卫星通信技术研究与原理验证”、“6G通信-感知-计算合成网络架构及要害技术”等涉及6G要害技术的重点专项研发计划[6]，对树立我国的6G研发地位、建立我国在全球的6G话语权具有重要意义。
各国对6G愿景描述逐渐统一，空天地一体化的6G网络已成为业界共识。目前有关国际准则化组织已启动5G和5G-Advanced摘用卫星技术的研究，在2022年5月召开的ITU-R SG4 WP2B第51次全体会议上，由中国信息通信研究院牵头，联合中信科移动、中国卫通、华为、中兴等单位立项的IMT-2020卫星无线电接口国际准则报告书《IMT-2020卫星无线电接口愿景与需求报告书》主体部分已经完成，标志着5G卫星国际准则化工作方面取得了重大突破，为未来的6G卫星合成系统准则化奠定了基础。
与此同时，通感一体化也是学术界和科技界的研究热点和要害技术之一。当前各界对通感一体化的研究主要聚焦于陆地使用以及未来与6G陆地移动通信的合成，而对于卫星与通感一体相合成的技术研究和探索尚比较欠缺。本文结合6G通感一体发展趋势以及6G天地一体化发展方向，对面向6G的卫星通感一体化及相关的要害技术进行了探讨和展看。
1 通感一体化技术的发展现状和趋势
马丁公司于上世纪六十年代提出通过雷达间隔脉冲可以承载由地面向太空航天器发送的信息[7]，启发了人们对于通感一体的研究。在上世纪90年代后期，人们提出了综合射频系统的概念，通过天线孔径与射频部分共用统一平台的方式，实现使雷达、电子战和其他要害功能的一体化设计，并通过资源掌握，将舰载数字阵列雷达同时用于骚乱、电子情报、通信以及其他任务。
雷达与通信在发展历程上相互交织、相互启发、相互借鉴，当前，两者的技术发展显现出高度的一致性：追求更宽的带宽、更大的阵列以及更加关注视距信道的信号处理方式，这就为两者的合成设计奠定了良好的技术基础。随着下一代车联网和无线电技术的快速发展，通感一体这一概念吸引了众多企业和准则化组织的注重[8]。
1.1 通感一体化的现实需求
通信感知一体化是指通过空口及协议联合设计、时频空资源复用和硬件设备共享等手段，实现通信与感知功能统一设计，使无线网络在进行高质量通信交互的同时，实现高精度、精美化的感知功能，实现网络整体性能和业务能力的提升，其核心设计理念是要让无线通信和无线感知两个独立的功能在同一系统中实现且互惠互利[9]。
基于有限的频谱资源、能源资料，以及高密度连接等客看条件，要实现人类对“万物智联”的美好愿景，就急迫需要通过某种方式实现感知和通信两大功能之间的资源利用效率。随着技术的发展，移动通信和雷达感知已形成了双向互动的趋势。首先，移动通信频谱与雷达感知频谱资源有了一定的趋同性；其次，基于移动通信大流量和雷达感知辨认率的提高，均提出大规模阵列天线技术要求，从而造就了移动通信和感知两大功能的基础条件，移动通信和感知存在一体化设计的可能性。
另一方面，垂直行业使用对通信和感知都提出了更高要求，需要通信和感知的功能合成，以虚拟网络的管控方式实现提升实体运行效率的目的。以数字孪生聪明城市为例，新型聪明城市建设强调地上、地下三维一体化，对其从诞生到转变、发展的过程进行全生命周期治理，这需要功能广泛的感知能力、通信能力和计算能力的有机合成，而通感一体化技术将在可以预见的未来在新型聪明城市建设方面奉献力量。
1.2 通感一体化的发展状况
通感一体化技术领域的学术研究已在全球展开，并显现指数级增长热度。据统计，人们完成第100份IEEE关于通感一体的文献花了整整50年（1963-2013年），而完成第4个100份IEEE文献却只用了1年时间（2019-2020年）[9]。美国麻省理工大学于2022年成功开发了一种射频视觉技术RFusion，可以通过无线电波感知被遮挡的物体[10]，在光线视觉无法使用的场景下，该技术有广泛使用，如摘用无线电波穿过墙壁从而探测隐躲的物体等。我国以北京邮电大学、电子科技大学等为代表的高校继续发力通感一体化技术研究。例如北京邮电大学针对智能车联网系统，提出基于感知-通信-计算合成的智能车联网构建方法与设计构思，有助于提高自动驾驶车辆的协同环境感知能力，并通过移动边缘计算（MEC, Mobile Edge Computing）技术降低车间感知信息传输负载，提高多车协同的信息合成与处理效率，最终实现基于多车智能协同的安全自动驾驶[11]。
与此同时，包括华为、诺基亚等在内的科技企业也投进了通感一体化技术领域的研究。诺基亚认为6G整个网络将是一个传感器，能够发明增强的AI数字第六感觉，于2021年发布了《B5G和6G系统的通信和感知联合设计（Joint design of communication and sensing for Beyond 5G and 6G systems）》白皮书[12]。在2020全球移动宽带论坛（Global MBB Forum）期间，华为将通信感知合成（HCS, Harmonized Communication and Sensing）作为5.5G产业的六大场景之一。2021年12月，华为摘用5G毫米波频段的3GPP 5G信号在北京怀柔外场完成了全球首个面向 5G-Advanced通信感知一体技术验证，从而为业界通感一体的使用和技术创新提供重要参考[12]。
通感一体的准则化工作也在进行中，即将面世的新一代WLAN准则802.11bf有看成为全球第一个无线通感一体化的准则。IEEE 802.11工作组（WG, Working Group）于2020年9月批准了一项项目授权请求（PAR, Project Authorization Request），定义IEEE 802.11bf新任务组（TGbf）[13]。IEEE 802.11bf将无线设备转变为传感器，计算人和物体物理空间中信号的骚乱和反射信号，收集有关人和物体的数据。在保持一定的通信性能的基础上增加WLAN感知功能[14]，并且已经定义了室内感知、手势识别、医疗健康、3D视觉以及车内感知等多种使用案例[15]。
1.3 面向6G的通感一体化演进路线
（1）6G要害技术
随着业界在6G“技术觅觅”阶段研究不断深进，星地合成网络、通信感知一体化、语义通信、人工智能内生、区块链、算力网络、智简网络架构已发展成为6G潜在要害技术。其中，在星地合成的“泛在覆盖”场景下发扬效能的通信感知一体化技术已发展成为研究热点。
（2）地面6G通感一体化面临的要害问题
通信与感知可以在业务层面、服务层面、空口层面等多个层次进行合成，从而实现两者的互利互惠[16]。依据相关研究，地面6G通感一体化系统面临的主要问题包括回波检测、互骚乱、自骚乱、同步误差、能量积存等方面[17]，图1给出了地面6G通感一体化网络需要解决的主要问题：
为了解决上述问题，实现通感算一体化网络，需要首先解决通感一体化空口技术设计难题。面向6G的卫星通感一体化演进技术路线和要害技术，需要着重考虑和深进研究基于星地协作的技术方案、通感一体化波形设计、通感一体化抗骚乱等技术领域。
（3）面向6G的卫星通感一体化三阶段演进路线
图2给出通信和感知一体化将向“各自发展”、“通感合成”和“通感一体”三个阶段的演进路线[18]：
在移动通信发展的4G及以前阶段，通信和感知是各自独立发展的，两者之间交集很少。在5G-Advanced阶段，通感一体已被列进创新链产业链合成联合行动计划，成为5G-Advanced的重要创新方向之一，通信和感知将实现功能的合成，尚处于通感一体化的初级阶段。3GPP Release 18将是5G-Advanced的第一个准则版本，估量将于2023年冻结，通感一体化技术最早将在2023年出现在正式的移动通信准则中。
在历经5G-Advanced阶段3GPP Release 18和Release 19两个版本的完美之后，通信和感知功能合成的深度得到进一步加强。在面向2030年的6G准则化阶段（3GPP Release 20及后续版本），移动通信和感知功能将真正实现一体化联合设计，并基于原生AI功能，实现通信和感知资源的智能配置，称心多行业、多场景的通信和感知使用需求。
在我国，IMT 2030（6G）推进组将通信感知一体化技术视作未来6G的潜在技术之一[20]，并已开展相关的研究工作。
2 卫星技术的发展现状和趋势
依据卫星主要载荷功能及其使用的不同，业界将卫星可分为通信卫星、定位导航卫星和远感卫星三大类型。随着卫星领域的技术创新和新型使用场景的不断涌现，使得卫星技术具备了与地面移动通信网络合成的技术基础。
2.1 卫星技术发展现状
卫星通信、卫星定位导航、卫星远感被业界称为卫星“通、导、远”三大功能，在各行各业都发扬着举足轻重的作用。然而从卫星技术过往几十年的发展历程来看，“通、导、远”三者基本上是各自独立的并行发展状态，并没有形成一个整体，资源的利用率不够足够，信息获取总体效率偏低，逐渐成为信息化时代社会发展的制约因素之一，亟待做出改变。
从通信容量和轨位等维度来看，通信卫星正向地球静止轨道（GEO，Geostationary Orbit）、高通量卫星（HTS, High Throughput Satellite）和大规模非静止轨道（NGSO, Non-Geo-Stationary Orbit）星座方向发展。由于高通量卫星摘用了多点波束和频率复用技术，可在同样频谱资源的条件下，将整星的通信容量提高为传统固定通信卫星数倍[21]。从国际GEO高通量卫星的容量角度来看，自2005年全球第一颗高通量卫星IP STAR进轨以来，已历经四代GEO高通量卫星技术的发展[22]，正向Tbps级别的超大吞吐量时代迈进。高通量卫星制造、发射，以及发射保险费用与传统卫星基本相当，但数据吞量却是传统卫星的成百上千倍，因此，相比于传统通信卫星，高通量卫星在容量及单位带宽成本方面拥有优势，具有与地面网络竞争的可能性[23]。高通量卫星摘用频率复用和点波束技术，在提高通信容量的同时也进一步提高了波束增益，有助于推动终端设备的小型化，从而进一步扩展了其使用场景。摘用高通量卫星通信技术不但免往了用户自建中心站的工序，大大节约了用户的建设成本和运维成本，还摘用与地面移动通信网络类同的流量计费方式，这在一定程度了也节约了某些间隔性传输数据使用场景的通信成本。从高通量卫星的载荷技术角度来看，当前高通量卫星要害技术主要包括超大规模高性能多波束天线技术、跳波束通信技术、数字透明转发处理技术、基于微波光子的星上转发技术、灵巧载荷技术以及波束预编码技术等方面。
以Starlink和Oneweb为代表的大规模NGSO宽带互联网星座是卫星通信技术的另一个主要发展方向，其中，Starlink计划将4.2万颗卫星部署在低地球轨道上，截至2022年9月4日已累计发射3 259颗[24]，用户数超过40万。我国已将卫星互联网纳进国家新基建，向ITU申报了由12 922颗卫星组成的“GW-A59”和“GW-2”星座，并于2021年4月成立了中国卫星网络集团有限公司，主要任务是进行NGSO星座的运营。多波束星载相控阵天线、星间链路和跳波束通信已发展成为大规模NGSO星座领域具有发展潜力的要害技术。以美国Starlink星座为例，目前在轨的每颗卫星上均配置了四个相控阵天线，大大提高了整星吞吐量，使单星容量可达17～23 Gbps。
对于远感卫星，依据主要看测对象不同，可分为空间探测远感卫星和对地看测远感卫星,其中对地看测远感卫星使用最为广泛。依据卫星远感器探测谱段的不同，可分为光学远感和微波远感。光学远感器的核心技术主要包括全色波段、多光谱和高光谱辨认率远感技术。微波远感工作在微波谱段，主要有微波辐射计、微波散射计、雷达高度计和合成孔径雷达（SAR, Synthetic Aperture Radar）等远感技术，其中，合成孔径雷达技术是有源微波远感核心技术之一。远感卫星多工作于非静止轨道的小型卫星，其具有研制周期短、成本低、重量轻、发射方式灵巧、部署灵巧，以及能够聚集多颗卫星组成星群等诸多优势，微纳远感卫星是卫星远感技术发展的重要趋势之一。国外微纳卫星发展以美国最为活跃，美国Planet是目前为止最大的微纳卫星群，能够为用户提供3～5 m辨认率的可见光和近红外数据[25]。
基于卫星定位导航系统在政治、经济、军事等方面的重要意义，航天大国在卫星定位导航领域继续发力，并陆续建设了自主卫星定位导航系统。目前已形成四大全球卫星定位导航系统和两大区域卫星导航系统。其中，四大全球定位导航系统是美国的全球定位系统（GPS, Global Positioning System）、俄罗斯的全球卫星导航系统（GLONASS, Global Navigation Satellite System）、中国的北斗卫星导航系统（BDS, BeiDou Navigation Satellite System）和欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO, Galileo Satellite Navigation System）等四大全球导航卫星系统；两大区域卫星导航系统是日本的准天顶卫星系统（QZSS, Quasi-Zenith Satellite System）和印度的太空卫星导航系统（IRNSS, Indian Regional Navigation Satellite System）。星基增强、地基增强和通导合成是卫星定位导航技术的发展趋势。自我国北斗系统通过卫星定位导航系统实现短报文等通信功能的革命性创新之后，美国的新一代GPS系统，即GPS III也开始具备类似功能。在GPS III完成组网后，用户可以通过新的双向客户端，通过导航卫星进行短数据间的信息交互[26]。
2.2 卫星“通、导、远”合成发展趋势
在垂直行业使用需求的驱动下，“通、导、远”合成成为近年业界探讨和探索热门课题之一。国内专家学者从天基信息实时服务系统的角度提出定位、导航、授时、远感、通信（PNTRC, Positioning, Navigation, Timing, Remote sensing, Communication）五位一体的合成构想[27-28]，并进一步提出意见加速构建“通、导、远”合成服务基础设施与平台的期看。业界团体组织也通过各种论坛，集思广益，深进探讨通导远合成发展的可行性[29]。国家也从顶层设计的角度出发，提出“打造全球覆盖、高效运行的通信、导航、远感空间基础设施体系[5]”导向，从而为“通、导、远”合成提供了政策可行性支撑。
软件定义卫星是近年卫星行业发展的另一个主要趋势。目前软件定义卫星的研究主要聚焦于软件定义无线电在卫星的使用、多载荷多功能卫星以及分布式多种功能卫星三种方式。软件定义卫星向多功能可重构系统架构、多任务多功能星座优化设计方法、算法组件化技术和智能化技术等软件定义卫星技术发展[30]，则有助于卫星通导远合成的技术实现及其技术迭代。
2.3 面向6G的星地合成演进路线
国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）提出的6G三个目的之一为合成卫星通信在内的多类网络（ManyNets）[31]，足够阐明了卫星通信将是6G网络的重要组成部分。3GPP已启动关于卫星通信与5G的合成研究，主要体现在TR38.811、TR38.821以及TR22.822的3个技术报告中[32]。图3给出了3GPP关于卫星与陆地移动通信合成发展的路线图[33]，可以看出，在4G及以前阶段，卫星和陆地移动通信各自独立发展；在5G和5G-Advanced时代，卫星将与陆地移动通信集成，3GPP正进行5G 非地面网络（NTN，Non-Terrestrial Networks）的研究和准则化；在6G时代，卫星将与陆地移动通信合成，无论是系统架构还是空口协议等都将联合设计，形成天地一体的合成系统。
3 面向6G的卫星通感一体化
无论是学术界还是科技界，当前针对通感一体化的研究领域还主要限于6G的地面移动通信网络，由于卫星将与地面移动通信深度合成，构建空天地一体的全球全域网络已经成为各界关于6G的共识，因此，研究面向6G的卫星通感一体化技术具有重要意义，下文对未来的6G卫星通感一体化及其要害技术进行探讨和展看。
3.1 星地协作的通感一体化方案
6G基于通信感知一体化架构，能够提供多维感知与连接能力，进一步推动垂直使用升级。6G时代更强移动宽带（FeMBB, Further-enhanced Mobile Broadband）、极可靠低时延通信（ERLLC, Extremely Reliable and Low-Latency Communications）、广覆盖高时延高移动性通信（LDHMC, Long-Distance and High-Mobility Communications）、超大规模机器类通信（umMTC, ultra-massive Machine-Type Communications）和极低功率通信（ELPC, Extremely Low-Power Communications）等五大典型使用场景[32]，都需要6G网络的全域协同感知。
（1）卫星通感算一体网络架构
空天地一体化的6G时代将涌现出比5G及其演进阶段更多的使用场景，同时需要称心多维极致性能需求。这要求需要将传统定位、探测、成像等无线感知功能同无线传输功能深度合成，同时利用广泛分布的算力进行辅助计算处理，实现感知通信计算的交叉合成[33]。
卫星通感算合成网络主要由中心网云、通感一体化网元和分布式终端组成。其中，中心网云主要功能包括核心网及使用软件，部署于天基和地基数据集群；通感一体化网元主要指6G通信基站，包括天基的星载基站和地面基站，通过星地协作的方式，共同治理分布式终端的信息获取、传递和计算；而分布式终端则是指具备通感一体功能的6G终端，包括移动终端和固定终端两大类型，而移动终端又可分为手持型、车载型、机载型等不同的类型。通过卫星通感算一体的网络架构，不但能够同时可靠实现感知与通信功能，还能够进一步实现通信和感知功能的互惠互助。
图4给出了卫星通感算一体网络架构，其主要特征表现在：
1）高低轨协同：高低轨卫星在算力、功率、时延等方面各有优势，两者合成并通过智能协同，能够称心不同使用场景的需求。
2）动态分簇：为称心通感一体在特定场景下的高算力的要求，低地球轨道（LEO, Low Earth Orbit）卫星之间可动态分簇，聚合计算资源，称心算力需求。
3）算力感知网络（CAN, Computing-Aware Network）：通过无所不在的网络连接分布式的计算节点，实现服务的自动化，可感知使用、网络、算力和用户需求等多维资源，并协同调度算力资源和网络资源，使使用能够按需、实时调用不同地方的计算资源，实现边缘计算与云计算的协同联动，提供最优的用户体验以及计算和网络资源利用率[34]。
4）异构计算：在卫星平台由多种不同计算架构组成的情状下，通过异构计算，能够提升卫星整体的计算能力和计算资源利用率[35]。
6G卫星通感算一体化网络架构，对构建内生智能的新型网络提供了理论支撑，能够足够利用星地网络节点的通信、计算和感知能力，支持星地分布式学习、星地群智式协同以及云边端一体化算法部署，提供泛在的智能化网络覆盖，原生支持各类AI使用，构建6G新生态，实现以用户为中心的业务体验。
6G卫星通感算一体化是一种前所未有的新型网络形态，摘用星地协同的网络架构，实现通信资源、感知资源以及计算资源的有效组织和联合优化，称心6G线通信与感知功能服务及其新型使用需求。在这种架构中，可在星地一体的虚拟化平台部署网络智能与掌握中心，以总线的方式实现网络信息的全局感知，并可将感知和通信信息以及资源调度需求分布到各网络节点上，建立通感共识，提升网络性能。
（2）新型分布式协同感知技术
6G估量将实现6 GHz以下、毫米波、太赫兹、可见光等全部频段的深度合成组网，通过各个频段的动态互补，实现全网整体服务质量的优化，并降低网络能耗[36]。卫星、飞行器及地面设施组成空天地海多层次通感一体化通信网络，有效支撑社会智能信息合成连接。新型分布式协同感知系统由通感一体的智能体终端、通感一体接进网（含地面和星载基站），以及部署于卫星和地面基础设施的核心网与使用系统组成。每个网络节点都是具备通感一体的智能体，都拥有感知、通信和所需的计算能力（包括终端的端侧计算能力、地面和星载基站的边缘计算能力，以及核心网及使用系统的计算能力等）。
在单个网络节点感知资源受限的使用场景下，往往不能足够发扬最佳感知性能。为了突破单点感知资源受限这一瓶颈，通过多点组网协同感知的方式提升网络感知性能是多节点网络化感知的发展趋势[18]。分布式部署的多个网络节点能够感知周边物体的类型以及这些物体对网络的影响等信息，通过多节点感知数据合成能够减少测量的不确定性，进而提升感知的性能。另一方面，也可以通过与更多网络节点建立连接并实现信息共享，通过相互分享感知结果，建立感知信息的共识。图5给出了新型分布式协同感知技术示意图：
3.2 新型通感一体化波形设计
通信和感知系统长期以来处于平行发展状态，在信号波形、信号带宽、动态领域、多频勒频移、峰均功率比（PAPR, Peak to Average Power Ratio）等存在诸多差异。但随着移动通信技术的发展，特别是向毫米波及更高频段发展，使通信和感知在硬件和频谱资源等方面具有了一定的合成基础。
在通信和感知功能合成框架中，感知信号和通信信号可以一体化波形设计与检测共享一套硬件设备[37]。而通感一体化波形设计目的正是要通过通信和感知的硬件资源与频谱资源共享，在同一硬件平台上利用同一信号实现感知和通信功能。通过通感一体化波形设计，一方面可以减轻或消除感知信号和通信信号之间的相互电磁骚乱，降低雷达和通信双发射系统整体功耗，提高系统集成度，降低系统成本。另一方面，也能够提高资源利用率，而且可以在完成目的物信息感知的同时，完美实现彼此之间的通信功能。
然而，通感一体化波形设计也面临着面向多样化场景的灵巧可重构通信感知一体化波形、需要权衡通信信号的随机性与感知信号的强自相关性两者的性能，以及需要与数据链路层、网络层调度相匹配，需要考虑到多节点的组网能力等系列挑战[38]。
新型一体化波形设计以基于同一信号同时实现通信和感知功能为出发点，并摘用AI技术，结合使用场景通过通信和感知信号的权重的智能适配，自动生成所需波形。图6给出了一种新型通感一体化波形设计示意图。新型一体化波形Fw，分别由通信功能波形及其权重Fc的乘积，以及感知波形及其权重Fr的乘积叠加组成。与地面移动通信基站不同，星载基站显现出高动态特征，所接进的终端及其使用场景和业务类型被不断刷新和转变，引进Fc和Fr权重的动态调整算法，智能分析使用场景，自动适配随业务功能需求，就能够保证在新型通感一体化波形Fw的全场景适用性。在以通信为主体的使用场景，将在保证通信性能的前提实现使波形具备感知性能，通过AI算法智能分析和动态调整通信和感知性能权重的迭代，并学习和监督调整的效果，直至称心该场景下的业务需求为止；在以感知为中心的使用场景，摘用类似算法动态调整通信和感知性能权重。在通信和感知同等重要的场景下，将通过通信和感知功能的联合设计，并通过通感一体化信号波形的智能优化称心业务需求[30]。
相关研究认为，未来的天地合成的6G卫星系统具有独立的聪明面[32]，具备内生智能特性，从而使6G卫星系统自主识别使用层业务类型，通过链路层、网络层的调度匹配，生成称心业务需求的通感参数，并在物理层实现通感互信息加权的新型通感一体化波形。同时，天地合成的6G移动通信网络也将从5G及以前的以网络为中心的移动通信系统，向以用户为中心转变，支持通过多连接、多节点组网的形式开展业务。
3.3 通感一体化波束赋形技术
对于通信感知一体化系统中的波束赋形技术，需要同时考虑通信和感知两方面的性能，阵列天线的波束赋形技术用于提升通信速率和感知精度[20]。以MIMO雷达通信一体化系统为例，通感一体化系统可分为通信与感知天线分隔以及通信与天线共用两种场景进行分析。在通信与感知天线隔离部署的场景下，将所有天线分为两组，其中一组用于雷达，另一组用于下行通信；在通信和感知天线共享共用场景下，所有天线同时用于感知探测和下行通信。图7中的（a）和（b）分别给出的两种场景下的天线部署情状。
输进条件：发射功率为20 dBm，共有20根发射天线，噪声功率为0 dBm，天线间隔为半波长，信道矩阵服从准则的复高斯分布（均值为零，方差为1），每个用户的信噪比的门限值为10 dB，共有4个用户。对于通信和感知分隔部署的场景下，基站的雷达天线共14根，通信天线共6根，在雷达和通信发射功率相等的前提下进行波束赋形仿真。图8给出了多波束模式下的波束赋形仿真结果，可以看出，多波束模式下，天线共用部署方法有较高的峰值。从图9中单波束模式下的波束赋形仿真结果可以看出，在单波束模式下，天线共用部署方法主瓣旁瓣比更高。因此，在波束质量和下行SINR方面，通信感知天线共用部署方案远优于天线分隔部署方案。加权优化问题可以以较低的复杂度获得跟原问题近似的性能，可以提供很好的性能/复杂度折中[39]。
3.4 通感一体化骚乱消除技术
在6G天地整合场景下，通感一体化网络将部署海量智能节点，这些节点间的动态部署将导致无线环境的复杂化和多转变，不可避免地存在通感无线信号互骚乱。骚乱消除技术将成为6G卫星通信感知一体化的重要要害技术。
通感一体化系统的天线设置通常由两部分组成：一部分为继续接收感知回波信号的阵列天线；另一部分为随上下行通信需求切换收发状态的阵列天线，以避免感知最小距离问题[18]。基于上述假设条件的6G通感一体化系统面临两个方面的挑战：1）天线间的收发互骚乱，即通感一体化系统内自骚乱问题，这是制约通感一体化性能提升的主要因素；2）通感一体化收发状态切换得比较复杂，致使系统面临更为复杂的环境骚乱问题。
针对上述两个挑战，提出如下构思：
1）对于天线收发互骚乱问题，带内全双工技术是潜在的解决方案。摘用带内全双工技术，可实现同频、同时收发电磁波信号，其技术核心是自骚乱抑制。从目前的技术产业成熟度来看，小功率、小规模天线单站全双工已经具备实用化的基础[40]，潜在的技术发展前景宽广。通过对天线间的收发响应矩阵进行预先测量，可进行数字自骚乱消除以及双天线间的正交波束赋形设计。在此基础上，结合收发天线物理隔离技术可使通感一体化的双天线互骚乱得到有效抑制。
2）针对复杂多变的环境骚乱问题，基于码分复用的通感一体化信号处理技术是一种潜在的可行方案。通过正交码本的码分增益性能，能够有效抑制电磁环境骚乱，降低误码率。然后，在此基础上结合信道估量技术可恢复通信信号特征，利用串行骚乱消除方法可进一步降低或减弱通感一体化信号接收信号处理之间的互骚乱，从而使通信和感知性能互惠互利。
另外，信号处理的本质是对信号进行线性/非线性变换的级联[18]。摘用机器学习理论上可以学习到信号处理的模型，从而区分有用信号和骚乱信号，实现基于机器学习的通感一体化信号处理的高效骚乱消除技术。
4 结束语
6G网络本身将是一个浩大的传感器，通感一体化被视为6G网络的潜在要害技术之一。本文通过分析地面通感一体化以及卫星通导远合成的现状和发展趋势，引出卫星通感一体化这一研究课题，并分别从星地协作的通感一体化方案、通感一体化波形设计、通感一体化波束赋形和骚乱消除技术等方面，对面向6G的卫星通感一体化潜在方案和技术进行了探讨和展看，未来可以此为基础开展更深进的研究。
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★原文发表于《移动通信》2022年第10期★
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20220907-0001
中图分类号：TN927.23 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2022)10-0002-10
引用格式：吴晓文,焦侦丰,刘冰,等. 面向6G的卫星通感一体化[J]. 移动通信, 2022,46(10): 2-11.
WU Xiaowen, JIAO Zhenfeng, LIU Bing, et al. Satellite Integrated Sensing and Communication for 6G[J]. Mobile Communications, 2022,46(10): 2-11.
作者简介
吴晓文（orcid.org/0000-0002-9109-7797）：博士，现任电子科技大学通信抗骚乱技术国家级重点实验室教授，中国宇航学会卫星使用专业委员会委员，深圳市发改委科创委科技专家，研究方向为高通量卫星通信、低轨卫星星座系统、卫星物联网、天地一体化合成通信网络、移动通信系统、6G和专网通信系统等。
焦侦丰（orcid.org/0000-0001-5460-5142）：高级工程师，硕士，现任深圳市星网荣耀科技有限公司系统方案总工程师，研究方向为卫星和移动通信产业技术研究与使用等。
刘冰：现任深圳市星网荣耀科技有限公司总经理，研究方向为卫星通信、天地一体化合成通信网络、卫星通信中的移动性治理、专网移动通信等。
凌翔：博士，现任电子科技大学教授，信息与通信工程学院副院长，研究方向为天地一体化通用处理平台、异构计算与并行信号处理、移动通信信号处理等。
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2023年第2期【6G要害技术及其使用】专题征稿
征稿 | 2023年第3期 “6G通感算深度合成”专题
征稿 | 2023年第4期 “语义通信”专题
目录 | 《移动通信》2022年第10期出版
2022年第6期 | 6G专题论文聚集（13篇）
【100篇】《移动通信》2021年1—6期专题论文聚集
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