清华大学电子工程系博士生文云丰（第一作者）、清华大学电子工程系副教授杨昉（通讯作者）、清华大学电子工程系教授宋健和休斯顿大学电气与计算机工程系教授Zhu Han共同完成的论文“Optical Integrated Sensing and Communication: Architectures, Potentials and Challenges”发表于IEEE Internet of Things Magazine。本文作为无线光通感一体化方向的综述，首先阐述了无线光通感一体化通用的系统框架及其三大优势，随后从波形设计和资源分配的角度展示了无线光通感一体化主要的研究方向，最后梳理了无线光通感一体化应用于实际场景的潜力与需要应对的挑战。该研究工作得到了国家重点研发计划项目的支持。
研究背景
未来移动通信网络需要具有同时高速率通信和高精度感知的能力，而通信和感知系统的独立发展难以满足这种需求。由此，通信与感知系统的共存、互惠与联合设计成为了学界与业界的共识，通信感知一体化（ISAC）也因此被视为第六代移动通信系统（6G）的六大核心场景之一。在射频通感一体化（RF-ISAC）快速发展的同时，无线光通感一体化（OW-ISAC）凭借其超大且无需授权的带宽和短波长的特性成为了新的研究热点——一方面，OW-ISAC拥有千兆级别高速率通信和厘米级别高精度感知的潜力，可作为RF-ISAC的有效补充；另一方面，如何在直接检测约束、评价指标缺失的背景下实现同时通信与感知，是OW-ISAC研究中最大的挑战。
系统框架
类似于RF-ISAC中的射频硬件复用，OW-ISAC利用激光测距仪、激光雷达等设备的信号处理和光学系统，调整发送波形使其可以承载通信信息，由此实现波形和硬件的复用。在此基础上，OW-ISAC相较于传统ISAC可以提供三大优势：
1、更大的通信速率：光频段不仅提供超大且无需授权的带宽，而且可通过波分复用、模分复用进一步提升通信速率；
2、更高的感知精度：根据“带宽-分辨率”的反比例关系，光信号的大带宽可以提升距离测量分辨率，而光频段的短波长可以提升角度测量的分辨率；
3、更低的电磁干扰：光频段的短波长有助于产生窄波束，配合其视距传输的特性，可以有效降低电磁干扰。
研究方向
波形设计是ISAC实现同时通信与感知的基础——不同于RF-ISAC，光频段常用的直接检测要求光信号是非负实数，为此需要研究面向直接检测的OW-ISAC波形设计。另一方面，资源分配是实现ISAC通信和感知性能权衡的重要方法，在给定的波形框架下优化资源分配有助于实现最优的波形设计。常用的OW-ISAC波形框架有如下三种：
1、脉冲体制：典型例子是脉冲位置调制，利用脉冲位置同时承载通信信息和目标距离信息，优势在于硬件实现简单，能量效率高；
2、单载波连续波：类似于RF-ISAC中以感知为中心的设计，使用线性调频信号作为载波，承载连续相位调制信号进行通信，优势在于峰均比低，频谱效率高；
3、多载波连续波：类似于RF-ISAC中以通信为中心的设计，直接使用光正交频分复用（O-OFDM）波形实现感知，优势在于能量效率、频谱效率灵活可调，信号处理方法丰富。
未来趋势
作为新兴技术，OW-ISAC的研究具备诸多机遇，也面临诸多挑战——本文将未来的发展趋势梳理为如下四个方面：
1、硬件结构：使用光学相控阵等集成光子学结构取代现有的机械结构，以提升系统的响应速度和鲁棒性；
2、评价准则：推导信号噪声畸变比等评价准则，将直接检测约束和非负截断现象纳入OW-ISAC的评价体系中；
3、光电融合：构建光与射频融合的ISAC系统，利用RF-ISAC广覆盖和时延-多普勒分析的能力弥补OW-ISAC易被遮挡、丢失多普勒信息的缺陷；
4、深度学习：将端到端的深度学习方法应用于OW-ISAC的系统设计和结果分析，从而赋能目标识别、运动预测等现实应用。
小结
本文介绍了OW-ISAC的通用系统框架，以及其三大优势——提升通信速率、提高感知精度和降低电磁干扰。随后，本文讨论了OW-ISAC波形设计的三种基本思路——脉冲体制、单载波连续波和多载波连续波，并以此为基础介绍了OW-ISAC资源分配的案例。最后，本文从硬件结构、评价准则、光电融合、深度学习四个方面梳理了OW-ISAC未来的发展趋势。由此，OW-ISAC有望成为RF-ISAC的有效补充，并为自动驾驶、智慧城市、低空经济等场景提供支撑。
论文信息
Y. Wen, F. Yang, J. Song and Z. Han, "Optical integrated sensing and communication: architectures, potentials and challenges," IEEE Internet Things Mag., vol. 7, no. 4, pp. 68-74, July 2024, doi: 10.1109/IOTM.001.2300196.
原文作者：光载信息，Wallace Wen