1、 专题：6G 空间互联网 无人机通信感知一体化：架构、技术与展望 刘晨熙，马睿，彭木根（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）摘 要：无人机应急通信作为第六代移动通信系统（6G）的一种典型应用，具有灵活部署、按需覆盖的优势。与此同时，通信感知一体化是 6G 的重要特征和核心使能技术之一，它可以应用于无人机应急通信中，以提升频谱效率、感知精度，降低系统成本，但二者如何结合，仍是学术界和工业界的研究热点和难点。为此，提出了一种无人机通信感知一体化的体系架构，探讨了支撑该架构的基础理论和关键技术，并展望了无人机通信感知一体化的未来发展方向及挑战。关键词：通信感知一体化；无人机通信；智能
2、服务 中图分类号：TP393 文献标志码：A doi:10.11959/j.issn.10000801.2023029 UAV-enabled integrated sensing and communication:architecture,techniques,and future vision LIU Chenxi,MA Rui,PENG Mugen Beijing University of Posts and Telecommunications,School of Information and Communication Engineering,Beijing 100876,Ch
3、ina Abstract:UAV emergency communication has been regarded as a typical application of the sixth generation mobile communication system(6G),and it can be flexible deployed and provide on-demand services.Meanwhile,integrated sensing and communication(ISAC)is a key feature and enabling technology for
4、6G.With the aid of the ISAC techniques,the spectral efficiency and the sensing accuracy of UAV emergency communication can be improved,while the system costs can be simultaneously reduced.However,how to efficiently integrate the ISAC techniques into the UAV emergen-cy communication remains a hot and
5、 challenging research issue for both the academia and industry.Against these back-drops,a UAV-enabled ISAC architecture was proposed.Then,the fundamental principles that supported the proposed architecture were discussed.Finally,the future directions and challenges in UAV-enabled ISAC were provided.
6、Key words:integrated sensing and communication,unmanned aerial vehicle communication,intelligent service 专题策划人：彭木根 收稿日期：2023-01-15；修回日期：2023-02-07 基金项目：国家重点研发计划项目（No.2021YFB2900200）；国家自然科学基金资助项目（No.62001047）；中国通信学会青年人才托举项目（No.YESS20200064）Foundation Items:The National Key Research and Development Pr
7、ogram of China(No.2021YFB2900200),The National NaturalScience Foundation of China(No.62001047),The Young Elite Scientists Sponsorship Program by China Institute of Communications(No.YESS20200064)专题：6G 空间互联网 2 0 引言 无人机应急通信是 6G 的典型应用，具有灵活部署和广域覆盖的优势，近年来得到了学术界和工业界的广泛关注1。相较于传统地面基站，无人机具有高机动、强视距、易部署等优势，可为热
8、点区域、应急场景等增加容量、补充覆盖。具体地，在无人机上搭载通信、感知设备，可为指定区域提供按需的数据传输和感知服务，为受灾地区提供通信保障。与此同时，为进一步支撑智能车联网、增强现实/虚拟现实（augmented reality/virtual reality，AR/VR）等新兴智能应用，6G 在适配巨容量（极致传输速率至 1 Tbit/s）、极高可靠性（误码率至107）、极低时延（传输时延至 0.1 ms）等极致通信性能需求的同时，还需要支持广域感知和高精度的定位、探测、成像等。在此背景下，通信感知一体化技术因在智能感知和高效无线传输方面的巨大潜力，已被认为是 6G 的重要特征和关键性赋能
9、技术。通信感知一体化可充分发掘通信和感知技术各自的优势，通过新的一体化波形设计，利用同一无线信号同时完成通信和感知功能，可提高资源利用率，实现通信、感知性能的均衡普惠2。利用感知信息可以实现更精确的波束成形和波束跟踪设计，减少导频资源的开销，提升波束成形增益。同时，通过对多节点感知信息的交互与融合，可以进一步提高系统的感知精度和范围。将无人机与通信感知一体化技术结合可以提高无人机的环境感知能力，无人机可根据感知的环境信息，为地面用户提供更加精准的覆盖，实现更加智能的无线组网。同时，无人机的强视距特性可以减少感知盲区，扩大感知的范围，实现广域感知。然而，二者的结合也面临如下挑战：首先，当前无人机
10、通信感知一体化研究大多聚焦单无人机场景3-6，通信和感知性能受限，亟待研究支持通信感知一体化的多无人机组网架构和方案；其次，无人机平台高抖动、强视距的特性使得无人机通信感知一体化存在易受干扰的问题，现有面向传统地面移动通信系统的通信感知一体化性能分析模型、波束追踪及成形方案难以适用，亟须研究适配无人机特性的通信感知一体化传输性能分析模型及方法；最后，现有无人机系统的研究多关注通信单一维度，难以实现无人机通信感知一体化对通信和感知性能的联合设计。为高效支撑多无人机组网下通信感知性能的多维极致需求，实现通信感知的普惠均衡，亟须研究多无人机协同感知及多维资源调配方法。1 无人机通信感知一体化体系架构
11、 本节提出了一种无人机通信感知一体化的体系架构，并讨论了支持该架构的基础理论。本文所提的无人机通信感知一体化体系架构如图 1 所示。具体来说，该架构通过对目标用户的感知，实现对目标区域的精确覆盖，提高系统容量，改善用户的服务质量（quality of service，QoS）；通过对感知信息的传输实现感知信息的数据融合，实现无人机的全局感知，提升了感知精度和感知范围。该架构主要由非系留式无人机和系留式无人机组成。其中，根据自身负载能力的不同，非系留式无人机可选择搭载通信感知一体化基站或射频拉远头（remote radio head，RRH），机载通信感知一体化基站配备轻量化人工智能（artif
12、icial intelligence，AI）引擎，具有一定的存储计算能力，能够执行相关 AI 算法对感知数据的预处理，实现对局部区域的感知，机载 RRH 则能为热点地区进行补充覆盖，且具备初步的感知功能。系留式无人机与地面指挥中心通过光纤连接，可以进行信息的回传与分发，实现感知信息的融合与无人机状态的监测与控制。3 电信科学 2023 年第 2 期 通信感知一体化无人机能够发射 3 种波束：通信感知一体化波束、感知波束、通信波束。利用通信感知一体化波束，非系留式无人机在为地面用户提供通信服务的同时，通过反射的回波信号实现对地面用户的探测、定位；感知波束则可用于实现相邻无人机的位置感知，避免发生
13、机间碰撞。此外，感知波束还可以实现无人机对地面障碍物分布情况的感知，提升无人机的视距传输性能；非系留式无人机对地面用户和物理环境的感知信息将会通过通信波束回传到系留式无人机，系留式无人机感知信息回传至地面控制中心，同时将控制信息发送至各分布式通信感知无人机，实现对各无人机的灵活部署。该架构的优点在于非系留式无人机节点搭载的通信感知一体化基站能够在服务地面用户的同时，实现对用户和环境的探测，利用感知信息对波束成形方案进行设计，使得通信感知波束能够尽可能精确地对准服务用户，实现对目标用户的精准覆盖，同时降低了用户间的相互干扰，利用感知信息提升了通信服务性能；另一方面，无人机的随机抖动等因素，会影响
14、无人机对通信感知回波信号的接收，使得局部感知信息误差增大。为了实现对局部感知信息的误差修正并获取全局感知信息，该架构借助系留式无人机和地面控制中心的 AI 决策能力对各非系留式无人机上传的局部感知信息进行误差分析校正，并对校正后的感知信息进行数据融合，生成全局感知信息。全局感知信息包括地面用户和环境信息（用户分布情况、速度、加速度和障碍物分布情况等）以及各分布式通信感知无人机的空间部署情况和自身状态信息（三维位置、飞行速度、剩余能量、用户连接情况等）。系留式无人机根据全局信息，对各无人机的部署方案进行灵活调整，在提升无人机感知性能的同时，增强了无人机系统的鲁棒性。该架构可以满足不同业务的需求，
15、对多种应用场景进行灵活适配。例如，利用通信感知无人机实现地面基站故障时的应急通信、热点地区的补充覆盖，以及在车联网场景中的车辆信息实时监测和交互。利用无人机上部署的自适应 AI 算法可以完成对物理世界的实时感知和建模，为实现智能车联网、AR/VR 等对感知精度要求较高的智能化业务提供支撑。需要注意的是，通信系统和 图 1 无人机通信感知一体化体系架构 专题：6G 空间互联网 4 感知系统的设计准则不同。通信系统的设计目标为，从包含干扰的信道中无失真地恢复信源信息，其主要聚焦的性能指标包括吞吐量、能耗、时延、能量效率、频谱效率等。香农公式阐释了在给定信噪比的条件下信道容量的理论上界。感知系统的设
16、计目标则是利用测量信息或经验数据，尽可能精确地对未知环境参数进行估计，最小化参数估计的误差，提升感知精度和准确度。刻画感知性能的指标主要包括识别精度（识别准确率、分辨率等）、估计精度（均方误差、克拉美罗界等）以及检测精度（虚警概率、检测概率）。此外，传统的无线探测理论表明，无线感知精度及参数估计误差与信干噪比关系密切，回波信号的信干噪比会直接影响感知的距离、分辨率以及准确度等，这为通信感知一体化的设计提供了理论依据7。基于以上理论，下面讨论无人机通信感知一体化体系架构中感知如何增强通信、通信如何增强感知以及如何实现通信感知性能的普惠均衡。（1）感知增强通信 搭载通信感知一体化基站的非系留式无人机可以通过回波信号对地面用户的位置进行感知，获取相关的用户角度信息，利用该信息能够提升无人机的波束成形增益，实现更智能的无线资源分配，提升无人机系统的整体通信性能。具体而言，在波束成形方面，对于静止或移动速度较小的用户，无人机可根据感知的角度信息，设计较窄的波束对其进行精准覆盖，精确地指向用户的接收天线，提高波束成形增益并降低用户间的干扰，从而提升传输速率。对于移动速度较快的用户，如地面车辆等，无