行動通訊邁向Beyond 5G和6G時代，提出了一項新的概念：整合式感測與通訊(ISAC)。該技術可透過基地台發出的訊號進行雷達定位，也可以作為延伸感測器偵測其範圍內的使用者設備，預計除了優化整體網路通訊，也將開啟多種應用新可能。
5G之後會是什麼？5G Advanced和6G都只是標籤而已，具體來說我們將會看到哪些進展？其中一個重要的驅動因素，是整合式感測與通訊(Integrated Sensing and Communication, ISAC)。目前為止，感測和通訊基本上是個別獨立的功能，但現在ISAC倡議旨在實現行動通訊和無線感測之間更緊密的共存，朝著通訊輔助感測和感測輔助通訊的方向發展。
基本上來說，感測和通訊的整合可以透過後5G(Beyond 5G)標準中的ISAC來降低硬體和訊令成本。不過，其效益將延伸得更遠，一些主要的通訊業者便看到ISAC在運輸、醫療保健、工廠、消費性和公共服務應用領域的發展潛力。就我們現今所知的應用而言，ISAC/後5G在基地台(從大型到小型)與使用者設備之間的通訊中，提供了提高頻譜和能源效率的潛力，此處的「使用者設備」泛指汽車、手機和任何其他連接至行動網路的終端裝置(圖1)。此外，此類技術也提供了雷達定位的優勢。
圖1 ISAC應用示意圖
市場機會
ISAC的概念相當新穎，以致於難以找到分析師對整體市場機會的估計。儘管如此，作為該領域子集的車聯網(V2X)市場將利用後5G通訊技術，預計從2023年到2030年呈現近52%的成長(達到95億美元)；無人機市場則預計從2024年到2029年以9.9%的年複合成長率(CAGR)成長。除此之外，也可以合理假設，單憑能源效率的提升就足夠吸引手機、平板電腦和穿戴式裝置進行通訊升級。
同樣地，後5G增強的頻譜效率和傳輸量可以幫助網路營運商從固定基地台投資中榨取更多效率和價值。雷達定位增添了可以多方面利用的新價值。這些都是預期將推動業者轉向基於ISAC解決方案的充分理由。
後5G的雷達定位
從基地台發送到汽車的訊號可以進行雷達定位探測，在回傳訊號中提供位置和速度資訊給基地台，為值得期待的的可能應用。基地台不僅可以利用這些資訊優化通訊的波束成形，還能預測隨著汽車持續前進，其波束成形演算法應如何變化，以改善鏈路的傳輸量和服務品質(QoS)。更廣泛來說，這些後5G ISAC的優勢將應用於基地台與使用者設備的連接、運輸領域的車聯網鏈路、倉儲機器人技術，以及無人機導航。
此外，ISAC無線傳輸也可以作為延伸感測器，偵測其範圍內的使用者設備，即使這些設備並未與發射器主動通訊。由於具有多個天線，雷達定位功能有機會偵測到非傳輸狀態的使用者設備。基於此資訊加上使用者設備的位置資訊，網路可以減少通道狀態資訊(CSI)請求或使用者設備發送通道狀態資訊更新的頻率，進而減少使用者設備的耗電量和網路負擔(Overhead)。
通道狀態資訊描述了訊號在發射器和接收器之間的傳播品質，涵蓋了導致不完美傳輸的因素，例如距離造成的功率衰減和散射。對諸如範圍內多輛汽車或其他使用者設備進行CSI採樣，可增強可用資訊，以便在汽車持續移動的狀態下，根據位置決定最佳傳輸量配置。這種雷達定位資訊也可成為自動或半自動車輛管理的關鍵輔助，例如在車輛列隊行駛(Vehicle Platooning)中便可派上用場。
技術挑戰
3GPP已經開始研究後5G的ISAC使用案例和需求，包括在5G Advanced中，並朝向6G發展。然而，詳細需求仍有待確定。同時，包括Ceva在內的通訊業者正在試驗各種構想，以在不影響通訊功能的前提下最大化雷達定位功能，同時也降低整體成本、尺寸和耗電量。
其中一項挑戰是找到有效管理正交訊號的方法，以確保資料通訊和雷達定位任務不會相互干擾。另一項挑戰是在網路感測中管理通道狀態資訊請求，研究正在探討透過減少通道狀態資訊報告來降低功耗，與因波束成形預測準確度降低而導致使用者設備效能下降之間的權衡(Tradeoff)。
此外，後5G的雷達定位將需要全雙工支援(用於雷達發射和接收)，這需要在天線和射頻解決方案方面進行創新。
ISAC前景光明
整合感測及通訊技術，ISAC探索無線網路扮演延伸感測器的潛力，透過雷達定位增強技術來擴展後5G和6G的應用可能性。基礎設施、汽車、使用者設備和嵌入式解決方案公司(如Ceva)以及3GPP內部已經開始著手探尋實現此概念，並在可擴展應用中達到成本效益的方法。
本文所描述的應用描繪了ISAC早期階段可能實現的功能。現階段的目標是透過提高傳輸量並降低成本和功耗來增強現有的使用模式，並推出多種應用。除此之外，ISAC遠見者看到添加更精確的雷達定位的機會，將可進一步實現其他類型的感測，例如手勢辨識。ISAC將在汽車和許多其他市場開啟一個充滿創新行動通訊可能的世界。
(本文作者為Ceva無線事業部資深通訊系統架構師和通訊演算法專家)