5G通感一体化技术原理与实战部署

一、引言：从"通信管道"到"通感融合"

传统移动通信网络的角色是"信息搬运工"——基站和终端之间传递比特流，网络对物理世界"视而不见"。然而，随着自动驾驶、低空经济、智慧工厂等场景爆发，网络不仅需要传递信息，还需要感知环境——探测目标位置、速度、轨迹，甚至材质和姿态。

这就是通感一体化（Integrated Sensing and Communication, ISAC）的核心命题：在同一套硬件、同一段频谱、同一个波形上，同时完成通信和感知两项任务。

3GPP在Rel-19中首次将ISAC列为标准工作项目（WI），在TS 38.300、TS 38.214等规范中引入了感知相关的信道模型和信号设计。本文从物理层原理出发，深入剖析ISAC的技术架构、信号设计、协议流程和部署实战。

二、技术架构：通感融合的三层模型

2.1 整体架构

ISAC的系统架构可以分为三个层次：

图表 1

感知应用层定义具体的感知业务需求：探测精度、更新率、探测范围。不同业务对物理层参数的约束差异巨大——车辆追踪需要亚米级精度和百毫秒级更新率，而呼吸监测需要亚厘米级精度但更新率可以低至秒级。

通感融合层是ISAC的核心创新。传统方案中通信和感知完全独立，而融合层通过联合优化波形、动态复用资源、协同处理数据，实现"1+1>2"的效果。

物理层提供硬件和信号基础。毫米波频段（24-52GHz）天然适合感知——波长在6-12mm量级，与常见目标尺寸匹配，可提供丰富的散射信息。

2.2 通感复用策略对比

通感一体化面临的核心矛盾是：通信追求高吞吐、低延迟，感知追求高精度、高更新率，两者对波形和资源的诉求并不完全一致。3GPP定义了三种复用策略：

关键洞察：Rel-19标准化的重点在TDM和FDM，而SDM和联合波形是Rel-20/6G的研究方向。实际部署中TDM是最稳妥的起步方案。

三、物理层原理：从雷达方程到通感联合优化

3.1 感知的物理基础

ISAC感知目标的基本原理与传统雷达相同，但利用的是通信信号（如OFDM符号）而非专用雷达脉冲。以单站感知（基站自发自收）为例：

感知距离方程：

$$R_{max} = \left[\frac{P_t G_t G_r \lambda^2 \sigma_{RCS} \cdot N_{sym}}{(4\pi)^3 k_B T_0 B_n F_n SNR_{min}}\right]^{1/4}$$

其中： - $P_t$：发射功率（基站功率，典型值43dBm） - $G_t, G_r$：收发天线增益（256天线阵列约30dBi） - $\lambda$：波长（28GHz约10.7mm） - $\sigma_{RCS}$：目标雷达截面积（无人机约0.01-0.1m²，车辆约10-100m²） - $N_{sym}$：相干积累符号数 - $SNR_{min}$：检测所需最小信噪比（通常13dB对应$P_d=0.9, P_{fa}=10^{-6}$）

距离分辨率由信号带宽决定：

$$\Delta R = \frac{c}{2B}$$

其中$B$为信号带宽。400MHz带宽对应$\Delta R = 0.375m$，100MHz带宽对应$\Delta R = 1.5m$。

速度分辨率由相干处理时间决定：

$$\Delta v = \frac{\lambda}{2T_{CPI}}$$

其中$T_{CPI}$为相干处理间隔。28GHz频段，$T_{CPI}=1ms$时，$\Delta v \approx 5.35m/s$。

3.2 OFDM感知信号处理

与脉冲雷达不同，OFDM通信信号是连续的宽带信号。感知处理的核心是距离-多普勒（Range-Doppler）估计：

算法伪代码：

输入: 接收信号矩阵 X_recv[N_sym × N_sc]
      参考信号矩阵 X_ref[N_sym × N_sc]（已知发射信号）

1. 信道估计（逐子载波逐符号）:
   H = X_recv ⊘ X_ref    // 逐元素除法

2. 距离-多普勒图:
   RD_map = IFFT_2D(H)    // 2D-FFT, 沿子载波维度IFFT得距离,
                           // 沿符号维度IFFT得多普勒

3. 目标检测（CFAR算法）:
   for each cell in RD_map:
       noise_floor = CA-CFAR(RD_map, cell, P_fa=1e-6)
       if RD_map[cell] > noise_floor:
           detect_target(cell)

4. 参数提取:
   range = c * index_carrier / (2 * N_sc * Δf)
   velocity = λ * index_symbol / (2 * T_CPI)

输出: 目标列表 [{range, velocity, angle, RCS}, ...]

关键参数约束：子载波间隔$\Delta f$决定了最大无模糊距离$R_{max} = c/(2\Delta f)$。5G NR在毫米波频段常用120kHz子载波间隔，对应$R_{max} = 1.25km$，足以覆盖典型宏站范围。

3.3 通感性能折中：一个精确的权衡框架

ISAC的根本挑战在于通信和感知对波形参数的约束存在冲突：

数学上的联合优化可以建模为Rate-Distortion的Pareto最优问题：

$$\max_{P, \theta} \quad \alpha \cdot R_{comm}(P, \theta) + (1-\alpha) \cdot \eta_{sens}(P, \theta)$$

其中$R_{comm}$是通信速率，$\eta_{sens}$是感知精度（如CRLB的倒数），$P$是功率分配，$\theta$是波形参数，$\alpha \in [0,1]$是权重因子。

四、协议流程：3GPP Rel-19信令交互

4.1 感知会话建立流程

Rel-19在TS 38.300中引入了感知功能实体（Sensing Function, SF），部署在gNB-CU或核心网中。以下是感知业务的完整信令流程：

图表 2

4.2 关键信元解析

SensingConfig中的核心参数（对应TS 38.331中新增的IE）：

• sensingResourceConfig：感知资源配置，包括专用时隙、PRB分配、RS图样
• sensingWaveformType：波形类型——reusedComm（复用通信信号）或dedicated（专用感知信号）
• sensingBandwidth：感知带宽，可以与通信带宽不同（FDM模式下）
• sensingPeriodicity：感知周期，取值从1ms到160ms，步长遵循NR时隙结构
• maxSensingRange：最大感知距离，影响CP配置和子载波间隔选择
• velocityResolution：速度分辨率要求，决定相干积累时间

4.3 参考信号设计的增强

Rel-19在现有SRS（Sounding Reference Signal）和CSI-RS基础上进行了感知增强：

SRS感知增强（TS 38.211新增条款）：

• 支持更长的SRS序列（最多12个符号的SRS资源），提升相干积累增益
• 引入SRS梳状偏移模式（comb-offset pattern），支持多UE同时感知
• 新增SRS-ResourceSet中的sensingUsage信元，标记该SRS资源用于感知

CSI-RS感知增强：

• 支持非周期性CSI-RS的密集配置（每个时隙多个CSI-RS occasion）
• 引入CSI-RS的循环延迟分集模式，提升角度分辨率

五、关键应用场景与参数配置

5.1 场景一：低空无人机探测

这是ISAC最迫切的商业场景。2025-2026年全球低空经济爆发，无人机物流、城市空中交通（UAM）对低空空域感知提出了刚性需求。

典型参数配置：

部署注意：

• 低空目标的仰角通常在0-30°，需要基站天线有下倾角覆盖能力，或部署专门的低空感知面板
• 城市环境中多径严重，需要多基站联合感知（ Cooperative Sensing）抑制虚假目标
• 无人机的RCS与姿态强相关，俯视和侧视可能相差10dB以上

5.2 场景二：车辆轨迹追踪（V2X感知扩展）

图表 3

ISAC在车联网中的价值在于：不依赖车载设备即可感知周围车辆和行人。这对"混行阶段"（部分车辆无V2X模块）至关重要。

参数配置建议：

5.3 场景三：室内呼吸/心率监测

这是ISAC"柔性"感知的极致体现——利用Wi-Fi/5G信号探测人体胸腔微小起伏（毫米级），实现非接触生命体征监测。

核心技术挑战： - 呼吸引起的胸腔位移仅3-5mm，心跳位移约0.5mm - 需要相位检测精度达到$<0.1$弧度 - 室内多径严重，需要高分辨率角度估计分离直射径

实现路径： - 利用CSI-RS的信道状态信息，提取子载波相位变化 - 相位变化量$\Delta\phi = \frac{4\pi}{\lambda} \cdot \Delta d$，其中$\Delta d$为位移 - 在5GHz频段（$\lambda \approx 6cm$），1mm位移引起约0.21弧度相位变化——可检测 - 通过带通滤波（0.2-0.5Hz呼吸，0.8-2Hz心跳）分离生命体征信号

六、关键技术挑战与解决方案

6.1 自干扰消除

单站感知（基站自发自收）的最大技术挑战是发射信号泄漏到接收通道。发射功率43dBm，接收灵敏度-100dBm，需要143dB的自干扰抑制。

解决方案分层：

实战经验：在Sub-6GHz频段，天线隔离+数字对消通常够用；毫米波频段由于波束窄，发射和接收波束的空域隔离可以额外提供20-30dB抑制，反而更容易实现。

6.2 感知精度下界——克拉美-罗下界（CRLB）

ISAC感知精度的理论下界由CRLB给出：

距离估计CRLB：

$$\text{var}(\hat{R}) \geq \frac{3c^2}{8\pi^2 \cdot SNR \cdot B^2 \cdot N_{sym}}$$

速度估计CRLB：

$$\text{var}(\hat{v}) \geq \frac{3\lambda^2}{8\pi^2 \cdot SNR \cdot T_{CPI}^2 \cdot N_{sym}}$$

角度估计CRLB（均匀线阵$M$个天线）：

$$\text{var}(\hat{\theta}) \geq \frac{6}{SNR \cdot M(M^2-1) \cdot N_{sym}}$$

这些下界直接指导系统设计： - 要提升距离精度$\rightarrow$增大带宽$B$（400MHz → 0.375m分辨率） - 要提升速度精度$\rightarrow$增大相干时间$T_{CPI}$（但会降低通信吞吐量） - 要提升角度精度$\rightarrow$增加天线数$M$（256天线阵列的波束宽度约$\pm 2°$）

6.3 通感资源调度的动态平衡

实际网络中通信流量随时间剧烈波动，感知任务却需要稳定的资源保障。Rel-19引入了感知QoS（Sensing QoS）的概念：

图表 4

调度策略建议：

1. 低负载时段（如凌晨）：感知可用资源充足，启用高精度模式（FDM或联合波形）
2. 高负载时段（如晚高峰）：通信优先，感知降级为TDM模式或降低更新率
3. 紧急事件触发（如检测到异常目标）：临时提升感知资源占比，通信降速容忍短期吞吐损失

七、产业链与标准化进展

7.1 标准化时间线

7.2 关键企业布局

• 华为：ISAC原型系统，28GHz频段实现1km无人机探测和0.1m距离分辨率
• 中兴：基于5G-A商用基站的感知升级方案，外场演示车辆追踪
• 爱立信：毫米波ISAC联合波形研究，通信感知联合编码
• 大唐/中信科：Sub-6GHz ISAC，面向车联网场景的RSU感知方案
• 高通：终端侧感知（UE-based sensing），利用SRS回波实现近场感知

7.3 技术参数对比：ISAC vs 传统雷达

核心结论：ISAC不是要替代雷达，而是以"网络级感知"的维度补充传统雷达——用覆盖广、多节点协同、通信感知融合的优势，构建"通感一张网"。

八、常见问题

Q: ISAC和传统雷达的核心区别是什么？

A: 三个根本区别：（1）信号源不同——传统雷达使用专用探测信号（如FMCW chirp），ISAC复用通信信号（OFDM波形），不需要额外频谱；（2）网络拓扑不同——雷达是单点探测，ISAC天然支持多基站协同感知，通过蜂窝网络拓扑消除盲区；（3）商业模式不同——雷达是专用硬件，ISAC是基站软件升级即可获得的增值能力，边际成本趋近于零。

Q: 在现网中如何升级部署ISAC？

A: 分三个阶段：（1）Phase 1——纯软件升级：利用现有SRS/CSI-RS信号做基础感知，不需要硬件改动，精度有限但可快速验证场景；（2）Phase 2——基带板卡升级：增加感知信号处理模块和自干扰消除功能，支持TDM/FDM模式的专用感知信号，精度大幅提升；（3）Phase 3——射频硬件升级：增加接收通道隔离、双工器升级，支持单站全双工感知。建议从Phase 1起步验证场景价值，再根据ROI决定是否投入Phase 2/3。

Q: ISAC对终端有什么要求？

A: Rel-19定义的ISAC主要是网络侧感知——基站发射信号并接收回波，终端不需要任何改动。这是ISAC的重要优势：感知不需要终端参与或升级。但Rel-20会引入UE辅助感知模式，终端可以上报自身测量到的感知相关信号（如邻区SRS的测量结果），辅助网络提升感知精度，此时需要终端软件升级支持新的RRC信元。

Q: ISAC的隐私问题如何解决？

A: ISAC能感知目标位置和运动状态，引发隐私关切。3GPP正在讨论的方案包括：（1）感知范围控制——基站精确控制感知波束指向，只感知授权区域内的目标；（2）感知数据脱敏——上报的感知结果只包含匿名化的轨迹信息，不关联通信身份；（3）用户授权机制——室内感知（如呼吸监测）需要用户显式授权；（4）合规审计——感知操作的开启/关闭/参数变更均留有日志，可追溯。

Q: ISAC的商用时间表是什么？

A: Rel-19标准预计2026年冻结，首批支持ISAC的5G-A基站芯片预计2027年量产。但基于Rel-18/19前版本的"准ISAC"方案（纯软件方案）已在2025年开始外场试点。真正规模商用预计在2027-2028年，先在低空经济（无人机探测）和智慧交通（车路协同）两个场景切入，后续扩展到工业感知和消费级应用。

本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生（微信ID: gprshome201101）维护，聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。

[!tip] 51学通信知识星球 星主：爱卫生（微信：gprshome201101）——公众号「51学通信」创办者，19 年通信行业运维与讲师经验，著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书（各大电商平台有售）。 星球定位：深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域，主打运维岗位与信令分析。 当前规模：5200 篇主题 / 990 个回答，198 元/年。 加入福利：加入星球后请加爱卫生微信，拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题，另有群内分享。 AI 加持：51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy，使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例，做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。