5G/6G联合通信与主动-被动感知技术的前沿进展与挑战

作者与发表信息
本文由Radosław Maksymiuk（华沙理工大学，Faculty of Electronics and Information Technology）撰写，发表于2025年6月的《IEEE A&E Systems Magazine》，文档编号DOI: 10.1109/MAES.2025.3533943。

主题与背景
本文聚焦雷达技术的新兴趋势——联合通信与感知（Joint Communication and Sensing, JCAS），尤其探讨如何利用5G/6G移动网络实现通信与感知功能的融合。研究背景源于频谱资源日益稀缺的全球性问题：现有无线电系统（如通信、导航、天文等）对频谱的竞争激烈，而JCAS通过共享通信波形与频谱资源，可显著提升资源利用率。此外，JCAS技术具备节能（共享硬件）、成本效益（减少专用雷达设备）及协同增益（通信辅助感知、感知优化通信）等优势，被归类为“绿色技术”。

主要观点与论据

1. JCAS的实现路径与分类

   • 实现方式：JCAS可分为共存（Coexistence）、协作（Cooperation）和协同设计（Co-design）三类。通信中心化（如5G扩展感知功能）与雷达中心化（如雷达嵌入通信）是两大方向。
     
   • 论据支持：文献[1][2]指出，协同设计能最大化硬件共享效益，例如5G基站通过软件升级即可支持主动雷达功能，而被动感知节点（如手机）可复用通信信号进行目标检测。
     

2. 5G/6G网络作为JCAS平台的优势与挑战

   • 优势：
     
     • 带宽资源：5G FR1频段提供高达100 MHz连续带宽，远超传统被动雷达（如DVB-T/FM）。
       
     • 基础设施复用：移动运营商（MNOs）的基站网络可低成本扩展为感知节点。
       
   • 挑战：
     
     • 波束成形（Beamforming）：通信优化的窄波束会限制感知覆盖范围。
       
     • 时分双工（TDD）模式：上下行信号同频干扰可能产生虚假雷达回波。
       
     • 动态资源分配：低流量时段可能导致感知信号不足。
       
   • 论据支持：实验显示，5G信号在交通监控中可同时实现通信（BER=0）与车辆定位（图3），但需解决上述问题[8][9]。
     

3. 主动-被动联合感知（5GAP JCAS）的实验验证

   • 实验设计：
     
     • 主动节点（AMS）：模拟5G基站（USRP X310 SDR硬件+LabVIEW软件），发射40 MHz带宽信号（5.8 GHz ISM频段）。
       
     • 被动节点（PBS）：基于SDR的仿用户设备，接收基站直射信号与目标反射信号。
       
   • 结果：通过融合AMS的环形检测区与PBS的椭圆形检测区，交叉定位车辆位置（图3），验证了多节点数据融合的可行性。
     
   • 意义：此为首次将5G现网信号同时用于通信与多模态感知的实证研究[9]。
     

4. 未来研究方向与标准化需求

   • 技术突破：需解决波束管理、TDD干扰抑制、实时处理等挑战，并探索非合作网络（参数未知）下的被动感知。
     
   • 标准化推动：建议将感知需求纳入6G标准，例如定义专用感知参考信号或动态资源分配协议。
     
   • 商业模式：运营商可通过调整天线参数（如倾角）优先满足感知需求，但需平衡通信性能损失与经济收益。
     

文献支撑与创新点
- 理论框架：引用[1][2]建立了JCAS分类体系；[5]（3GPP TR 22.837）论证了5G感知服务的可行性。
- 实验创新：文献[9]首次实现5G移动平台被动雷达成像，本文进一步提出主动-被动联合架构。

应用前景
JCAS可应用于智能交通（车辆追踪）、智慧城市（无人机监测）、健康监护（睡眠监测）等领域。例如，实验中的交通监控系统可扩展至城市级多基站协同，提升自动驾驶安全性。

总结与价值
本文系统梳理了5G/6G JCAS的技术脉络，通过实验验证了其工程可行性，并指出标准化与商业落地的关键路径。其科学价值在于为通信-感知一体化提供了理论框架与实证案例，应用价值则体现在对未来6G设计及物联网生态的深远影响。