[论文解读] Symbiotic Sensing and Communications Towards 6G: Vision, Applications, and Technology Trends

Zhiqin Wang, Kaifeng Han+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出将协同感知与通信（SSaC）作为6G网络中无线通信与感知一体化的统一框架，实现对物理世界的‘看见’与‘对话’同步进行。论文提出了一个三阶段演进路线图——中性共生、偏利共生与互利共生，并概述了关键应用场景、性能指标及使能技术，如联合波形设计、智能反射面（IRS）和太赫兹（THz）感知。

ABSTRACT

Driven by the vision of intelligent connection of everything and digital twin towards 6G, a myriad of new applications, such as immersive extended reality, autonomous driving, holographic communications, intelligent industrial internet, will emerge in the near future, holding the promise to revolutionize the way we live and work. These trends inspire a novel technical design principle that seamlessly integrates two originally decoupled functionalities, i.e., wireless communication and sensing, into one system in a symbiotic way, which is dubbed symbiotic sensing and communications (SSaC), to endow the wireless network with the capability to "see" and "talk" to the physical world simultaneously. Noting that the term SSaC is used instead of ISAC (integrated sensing and communications) because the word ``symbiotic/symbiosis" is more inclusive and can better accommodate different integration levels and evolution stages of sensing and communications. Aligned with this understanding, this article makes the first attempts to clarify the concept of SSaC, illustrate its vision, envision the three-stage evolution roadmap, namely neutralism, commensalism, and mutualism of SaC. Then, three categories of applications of SSaC are introduced, followed by detailed description of typical use cases in each category. Finally, we summarize the major performance metrics and key enabling technologies for SSaC.

研究动机与目标

• 建立一种统一的概念框架，将协同感知与通信（SSaC）确立为6G核心技术。
• 厘清SSaC与ISAC或JRC等既有术语的区别，强调‘共生’概念对不同集成程度的包容性。
• 提出一个三阶段演进路线图——中性共生、偏利共生与互利共生，用于SSaC的发展。
• 识别并分类SSaC的关键应用场景，包括沉浸式XR、自主系统和环境重建。
• 总结实际SSaC系统设计中关键的性能指标与使能技术。

提出的方法

• 提出一种新范式——SSaC，通过电磁波信号（尤其是射频）实现通信与感知的协同设计，以实现相互受益。
• 引入三阶段演进模型：中性共生（独立但共址）、偏利共生（一方受益于另一方）与互利共生（完全集成、协同设计的系统）。
• 将SSaC应用场景划分为三类：沉浸式通信、状态识别与环境重建。
• 识别关键使能技术：联合波形设计（如CD-OFDM、OTFS）、支持大规模设备的网络设计，以及先进的信号处理技术。
• 强调智能反射面（IRS）与太赫兹（THz）技术在提升感知分辨率与控制无线电环境方面的作用。
• 强调基于模型与数据驱动的方法在状态识别中的应用，指出其在复杂度与数据需求之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不同集成程度下实现感知与通信的有意义整合，以支持相互受益？
• RQ2 协同感知与通信的演化阶段有哪些？它们在功能与设计原则上有何不同？
• RQ3 SSaC在6G中的关键应用场景是什么？各类场景的代表性用例有哪些？
• RQ4 评估SSaC系统时最相关的性能指标是什么？它们与传统通信或雷达系统有何差异？
• RQ5 哪些使能技术——如波形设计、IRS或THz——最有效地支持SSaC在真实部署中的实现？

主要发现

• SSaC被提出作为ISAC或JRC等术语的更包容且具备演进意识的替代方案，可容纳从共址到完全协同设计的多种集成程度。
• 三阶段演进路线图——中性共生、偏利共生与互利共生——为SSaC系统随时间发展的结构化愿景提供了支持。
• 沉浸式应用如扩展现实（XR）与全息通信得益于SSaC，可实现实时环境反馈与空间感知。
• 状态识别应用如手势识别与运动检测由基于模型与数据驱动的方法支持，二者在精度与训练开销之间存在权衡。
• 环境重建应用利用智能反射面（IRS）与太赫兹（THz）技术，实现高分辨率、可控的感知，适用于室内外场景。
• 采用OFDM、CD-OFDM与OTFS波形的联合波形设计，可实现频谱的高效利用，并在车辆网络等高速移动环境中保持鲁棒性能。