近日，南科大系统设计与智能制造学院刘凡、袁伟杰课题组联合北京邮电大学、电子科技大学、北京理工大学等研究团队在《中国科学：信息科学》中文版第53卷第11期发表了题为《通信感知一体化的信息理论极限》的综述论文，并被选为当期封面论文。本文全面综述了通信感知一体化典型场景中通信与感知的性能极限与可达边界问题，对现有研究工作进行梳理和总结，重点讨论了其中对通感性能折衷的分析与刻画，并指出了通感一体化信息论中仍需关注和进一步研究的开放问题。
1. 研究意义
无线感知已成为通信产业界广泛公认的、下一代无线网络中的原生能力。通信感知一体化（ISAC）将通信和感知功能集成在同一个无线系统中，能够提高资源利用率，减少基础设施开销, 并增强通信和感知各自的性能。ISAC技术已经得到了学术界和产业界的高度关注，相关研究和标准化工作如火如荼。第三代合作伙伴计划（3GPP）组织也在其R19中设立了关于ISAC的研究项目，国际电信联盟（ITU）将通信感知一体化列为6G的六大典型场景之一。
通信与感知系统采用两类性能评价指标体系。在ISAC系统中，由于通信与感知子系统之间共享无线资源与硬件平台，ISAC系统需要在时间、频率、功率等资源约束下，同时完成通信信息传输以及目标信息感知两大任务。在这一体制下，感知精度、检测概率与通信速率、误码率等指标间往往存在相互制约、此消彼长的关系，ISAC系统将不可能同时达到通信最优和感知最优性能，于是不可避免地在两者之间产生性能折衷。为揭示该折衷机理，核心思想是研究通信和感知子系统所能达到的信息理论极限，定义通信和感知的性能度量, 并刻画二者的可达区域及性能边界。该问题是通感一体领域的开放问题，学术界尚无明确的一般性结论。
图1: 通信与感知可达性能区域边界示意图
2. 本文工作
本文立足信息论、参数估计和假设检验理论, 聚焦于ISAC典型场景中通信与感知的性能极限与可达边界问题。本文对通信感知一体化信息理论极限方面的现有研究工作进行梳理和总结，重点讨论其中对通感性能折衷的分析与刻画。本文首先给出在现有研究中常用的通信感知一体化系统基本模型，接下来介绍作为根基的容量-失真理论，然后详细阐述基于均方误差度量和感知等效速率这两种方法的通感性能边界理论，以及面向目标检测的通感性能边界理论。在此基础上，针对5G NR帧结构进行了通感性能边界的分析。
图2: ISAC 系统的典型场景示意图。所有场景中, 感知目标均可为通信接收机本身
表1: 现有通信感知一体化性能边界理论对比
总结起来, 现有工作建立了通感一体化的四种基本性能分析框架，包括容量-失真理论、CRB-速率区域、速率-误差指数区域, 以及感知互信息的思想；阐明了通感性能折衷的两种细分类型，即子空间折衷和确定-随机折衷；提供了通感一体化系统的两大信息论诠释，即延时反馈有状态信道编码和非合作式联合信源信道编码。最后，我们在结论部分列出了一些尚待解决的代表性开放问题，希望对读者有所启发。为更好说明几种性能边界理论的特点，表1对它们各自的特征及适用范围进行了总结。
3. 主要结论
通过总结已有性能边界理论，本文得出了通感性能折衷的两种细分类型，即确定-随机折衷和子空间折衷，下面对这两类折衷做简要介绍。
1）确定-随机折衷：直觉上，为提升通信速率，需要让发射的信号尽量随机，以携带更多信息；而若要考虑感知性能，则需要发射较为确定的信号，以确保感知性能稳定。本文的分析指出，为了达到最佳感知性能，信号的确定性造成了通信自由度损失。另一方面，为达到最佳通信性能，发射高斯信号也造成了一定的感知自由度损失。一个典型的例子是标量信道情形下，若需要感知性能最优，则发射信号需要具有恒定幅度；而若要达到最大通信速率，发射信号的经验分布需要趋近于高斯分布。两种情形的发射星座图如图4所示。可见，感知最优的信号失去了幅度这一自由度，从而携带信息的能力减弱。与此同时，信号的恒模特性使得信号在每个随机实现中都有着恒定的感知性能。而信号服从高斯分布时，其感知能力会在各次实现之间发生波动，平均意义上不如恒模信号。
图3: 标量信道情形下感知最优与通信最优信号星座图
2）子空间折衷：本文分析指出，感知最优发射信号的列空间与感知信道对齐, 而通信最优发射信号的列空间与通信信道对齐。这带给我们的启示是：当ISAC系统的设计目标并非是最优化通信或感知性能中的一者，而是实现二者间的某种平衡时，可以在通信子空间和感知子空间之间适当地分配信号功率。子空间折衷的显著程度与通信和感知子空间之间的耦合强度密切相关。直观来看，当通信用户本身就是感知目标时, 感知子空间与通信子空间完全相同。此时不存在子空间折衷, 通感性能折衷完全由确定-随机折衷决定。考虑另一个极端，若通信子空间和感知子空间相互正交，此时完全可以在通信子空间中发射通信最优分布信号, 而在感知子空间中发射感知最优分布信号。这表明此时不存在确定-随机折衷。
图4: 通信与感知子空间耦合程度决定子空间折衷
南科大访问学者、北京邮电大学熊一枫博士为论文第一作者，南科大刘凡助理教授为论文第二作者兼通讯作者，南科大袁伟杰助理教授为论文第三作者，南科大崔原豪研究助理教授为论文第四作者。
论文链接：https://www.sciengine.com/SSI/doi/10.1360/SSI-2023-0056