2024通信感知一体化性能分析：竞争还是协同？

2024全球6G技术大会仅供学习勿用他途 2024全球6G技术大会仅供学习勿用他途 彭木根 MugenPeng 北京邮电大学 BeijingUniversityofPostsandTelecommunications 2024.04 2024全球6G技术大会仅供学习勿用他途 Relationshipbetweencommunicationandsensin仅g供pe学rfo习rm勿an用ce他s途 当前通信、感知性能指标分立，需构建通信感知一体化指标及其模型 Communicationandsensingperformancemetricsareseparate,unifiedperformanceanalysismodelsneedtobeconstructed 面向通信的“率”指标(bit/s/Hz) Rateforcommunication(bit/s/Hz) 面向感知的“界”指标或“度”指标(无量纲) ‘Bound’or‘Degree’forsensing(unitfree) 互信息Mutualinformation 克拉美罗界 Cramér-Raobound 香农容量 Shannoncapacity 自由度Degreesoffreedom 统一量纲 通信感知性能 表征指标 Communication&sensingmetrics 通信容量 Communicationcapacity ——有待一体化 Awaitingintegration Unifiedmetrics (bit/s/Hz) 感知速率 Sensingrate 4 Relationshipbetweencommunicationandsensin仅g供pe学rfo习rm勿an用ce他s途 面向多样化场景特性，基于一体化指标分析时/频/空分通信感知的适用性 Basedontheunifiedmetric,weanalyzetheapplicabilityoftime/frequency/spacedivisionbasedcommunication&sensingforvariousscenarios 通信感知时/频/空分适用场景 Scenariosfortime/frequency/spacedivisionbasedcommunication&sensing 一体化指标：量纲bit/s/Hz，按系数分配资源 Unifiedmetric:（bit/s/Hz）Resourceallocationaccordingtocoefficients 无线XR WirelessXR Timedivision 多径 Multipath 适合时分 适合空分 阵元 Spacedivision Arrayelement 受时 Affectedbytemporalselectivity 时分间选 Time择性 division影响 无线回传 Wirelessbackhaul Frequency 无人机通信division UAVcommunication 频分 适合 速度Velocity 感知资源占比：Fractionofsensingresources 时分系数α，频分系数β，空分系数γ Timedivision:α;Frequencydivision:β;Spacedivision:γ 受频 车联网 Internetofvehicles Affectedbyfrequencyselectivity 频分率选 Frequency择性 division影响 Affectedbyspatialresolution 受空 辨率 空分间分 Space division影响 [1]LiuZ,YangC,PengM.IntegratedSensingandCommunicationsinTerahertzSystems:ATheoreticalPerspective[J].IEEENetwork,2023.5 [2]杨闯,刘子乐,石涵琛,彭木根.太赫兹多天线移动通信性能界理论[J].无线电通信技术,2023. 2024全球6G技术大会仅供学习勿用他途 通信与感知的目标不同 Communicationandsensinghavedifferentdesigngoals 通信导频用作感知：同时影响通感性能 Pilotforsensing:Affectbothcom.andsensingperformance 通信接收信号: Receivedsignalsofcommunication: 通信的目标: Goalofcommunication 根据信道估计�� Estimating�� 恢复发射信号� V.S. 感知回波信号: Echosignalsofsensing: 感知的目标: Goalofsensing 已知发射信号� Given� 估计�c中的参数� 保障通信性能 Communicationperformance Ensuringcommunicationperformance 感知性能极限 感知性能 通信性能 Sensingperformance Sensingperformancebound Recovering� 互信息/最小均方误差 Mutualinformation/MMSE 高斯分布 Estimatingparameters�inchannel�c 高斯分布Gaussiandistribution Rate 导频占用 Preambleoccupation Optimalcommunication Gaussiandistribution Mutualinformation 二元分布Binarydistribution 可达感知性能极限? Isthelimitofsensingperformanceachievable? SensingMMSE 高斯分布Gaussiandistribution Binarydistribution Optimalsensing 恒模分布Constantmodulusdistribution 感知目标特性 Sensingtargetcharacteristics 通信系统参数 Communicationsystemparameters 感知性能 Sensingperformance 紧耦Tightlycoupled 通信性能 Communicationperformance Theoreticalbackgroundofwirelesssensingusingcomm仅un供ica学tio习nsig勿na用ls他途 随机性信号通信最优 Communicationsrequirestochasticsignal.Sensingrequiresdeterministicsignals 确定性信号感知最优 影响感知性能的关键因素？ Thekeyfactorsaffectingsensingperformance7 仅供学习勿用他途 Communicationforsensing:Theoryofwirelesssensingbasedonchannelstateinformation 挑战：目标参数隐藏在动态路径中，通信感知通过CSI紧密耦合 Targetparametersarehiddenindynamicpaths,communicationandsensingaretightlycoupledthroughCSI 动态路径感知目标 通信关注CSI估计性能通感性能紧密耦合感知关注CSI携带的目标参数 Sensingtarget Dynamicpath CommunicationscareaboutTightlycoupledcommunication CSIestimationaccuracyandsensingperformances SensingcaresabouttargetparameterscarriedinCSIs 发射机 静态路径 staticpath 接收机 信道状态信息 静态分量 Staticcomponent 动态分量 Dynamiccomponent 地面等静态物体反射 Reflectionsfromstaticobjectssuchastheground TransmittersReceivers (CSI) 大尺度模型： Large-scalemodel �(�,�)=��(�,�)+��(�,�) 思路：菲涅尔区模型提取动态分量 Idea:ExtractdynamiccomponentsusingFresnelzonemodel Objectmotionmappedtosignalfluctuations Dynamicpath Vectorrepresentation CSIsignalwaveform Dynamicpath 1解耦CSI中通信和感知性能 DecouplecommunicationandsensingperformancefromCSI 物体运动可引起的动态分量最大波动 Maximumfluctuationofthedynamiccomponentfromthemotionoftheobject Staticpath Receivedsignal Staticpath 通信性能 Communicationperformance 解耦 Decoupled 感知性能 Sensingperformance 8 仅供学习勿用他途 Communicationforsensing:Theoryofwirelesssensingbasedonchannelstateinformation 思路：剥离出影响感知性能的关键因素 Idea:Capturethekeyfactorsthataffectsensingperformance 传统雷达感知[1] 运动特性 2将物体运动映射为CSI的波动 Conventionalradarsensing[1] 理想情况 Idealcase Motioncharacteristic MappingobjectmotiontoCSIfluctuations 理想情况 理想情况 最差情况 Idealcase 大幅度运动小幅度运动 有目标 无目标 Notargeted Targeted 最差情况 Worstcase 仅考虑了系统参数 但未考虑目标特性 Largeamplitudemotion Smallamplitudemotion 3理想情况感知性能 Idealsensingperformance Onlyconsiderthesystemparameterstargetcharacteristicsarenotconsidered 物体运动幅度δ 4最差情况感知性能 Worst-casesensingperformance 最差情况 Worstcase Worstcase Idealcase Motionamplitudeδofobjects 运动位置 运动幅度 信号频率 收发机距离 目标特性&系统参数 MotionpositionMotionamplitudeSignalfrequencyTransceiverdistance 检测概率 Detectionprobability Targetcharacteristics&systemparameters 检测概率 Detectionprobability9 仅供学习勿用他途 Communicationforsensing:Theoryofwirelesssensingbasedonchannelstateinformation 意义：揭示利用通信信号进行感知覆盖范围性能极限 Revealingtheperformanceboundo