面向6G的集成传感与通信收发机硬件架构：技术演进与前沿趋势

《IEEE Journal of Selected Topics in Electromagnetics, Antennas and Propagation》：Integrated Sensing and Communication (ISAC) Transceiver: Hardware Architectures, Enabling Technologies, and Emerging Trends

本刊特邀文章聚焦集成传感与通信（ISAC）这一6G关键使能技术，系统回顾了其收发机硬件架构的发展脉络。研究团队深入剖析了从频谱共享到硬件深度融合的演进路径，重点探讨了多工策略（TDM/FDM/CDM）、非线性/线性干扰拓扑、虚拟收发机矩阵（VRM）等核心技术，展示了在毫米波（mmW）与太赫兹（THz）频段实现高精度感知与高速通信一体化的硬件解决方案。该综述为下一代多功能无线系统的硬件平台设计提供了重要参考。

　　

在迈向6G时代的进程中，无线通信系统正面临一个根本性的范式转变：它们不再仅仅是传输数据的管道，更需要具备像“眼睛”和“耳朵”一样感知物理环境的能力。这种将通信（Communication）与传感（Sensing）功能深度融合的新范式，被称为集成传感与通信（ISAC），也被称作雷达通信（RadCom）或联合雷达通信（JRC）。想象一下，未来的智能网联汽车不仅能与其他车辆或基础设施进行高速数据交换，还能利用同一套硬件实时探测周围障碍物；无人机群在协同作业时，既能保持稳定的通信链路，又能精准绘制地形图。这一切都依赖于ISAC技术。然而，将原本独立发展的雷达系统和通信系统“熔于一炉”，并非易事。两者在波形设计、频谱使用、硬件架构乃至性能指标（如通信追求高数据速率，雷达追求高距离分辨率）上都存在固有差异甚至冲突。如何在一个共享的硬件平台上实现高效、协同的双重功能，同时兼顾成本、尺寸和功耗，是学术界和工业界亟待攻克的核心挑战。

为解决上述问题，发表在《IEEE Journal of Selected Topics in Electromagnetics, Antennas and Propagation》上的这篇特邀文章，由蒙特利尔理工大学的Ke Wu教授团队撰写，对ISAC收发机技术进行了一次全面且以硬件为中心的回顾。研究旨在梳理ISAC系统的历史演变，对现有收发机架构进行分类与评估，并深入分析支撑其实现的关键使能技术，最终为下一代ISAC硬件平台的发展指明方向。

研究人员为开展此项综述研究，主要基于对大量现有文献的系统分析、比较与归纳。关键技术方法包括：1） 对ISAC硬件架构按集成度（分离、部分共享、完全共享）、操作原理（时分复用TDM、频分复用FDM、码分复用CDM、混合模式）和收发机实现方式（非线性干扰拓扑如外差结构、线性干扰拓扑如多端口干涉仪）进行多维度分类学分析。2） 深入剖析各类代表性收发机架构的工作原理、电路实现（如基于CMOS、SiGe BiCMOS等工艺的芯片设计）和性能权衡。3） 评估关键使能技术，如多功能天线阵列、毫米波/太赫兹前端组件、光子集成、可重构智能表面（RIS）以及软件信号处理触点如何协同支持ISAC功能。4） 通过对比表格总结现有ISAC硬件实现的性能参数，并讨论其在汽车、无人机、室内定位等典型应用场景中的演示系统。

历史演变

ISAC的概念并非凭空出现，其根源可追溯至雷达和通信系统各自独立发展的漫长历史。早期如二战期间的敌我识别（IFF）系统已显现出雷达传感与无线电信号结合的雏形。直至2010年代前后，在频谱资源日益紧张、硬件集成技术进步的推动下，研究重点才从初期的频谱共享和波形协同设计，逐步转向更深层次的硬件共享和系统级集成，标志着从JRC向真正意义上的ISAC演进。

基础与定义

ISAC被定义为利用共享硬件平台和统一信号处理链，同时执行环境参数感知和无线数据通信的系统架构。其核心在于硬件、频谱和计算资源的深度复用，区别于早期侧重于共存的JRC。评估ISAC系统需兼顾传感（如距离精度、检测概率）和通信（如数据吞吐量、误码率BER）两方面的性能指标，并正视其内在的设计权衡，如功率放大器（PA）线性度、天线旁瓣电平对两种功能的不同要求。

ISAC硬件分类

文章提出了多维度的硬件分类体系。按集成度可分为共址分离系统、部分共享硬件和完全共享硬件（如带内全双工IBFD架构）。按操作原理主要有时分复用（TDM）、频分复用（FDM）、码分复用（CDM）以及混合模式，其中TDM因简单可靠最为常见。按实现方式则可分为非线性干扰拓扑（如传统外差结构）和线性干扰拓扑（如多端口干涉仪），后者在功耗和宽带操作方面具有潜力。虚拟收发机矩阵（VRM）和组合模拟操作（CAO）被提出作为一种利用空间分集的高硬件效率架构。

ISAC硬件架构的演进

本节详细回顾了具体的硬件实现方案。

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  非线性干扰拓扑：基于传统外差结构的收发机可通过TDM、FDM等方式实现ISAC。例如，通过开关切换信号路径，或采用可重构的双模吉尔伯特单元，使同一电路在通信模式下作为混频器，在雷达模式下作为放大器，从而实现硬件复用。数字密集型片上系统（SoC）也被用于室内多传感器数据融合。
  
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  线性干扰拓扑：多端口干涉仪技术利用线性干扰原理，通过无源网络（如耦合器、移相器）和功率检测器实现频率转换，具有低本地振荡器（LO）功率需求、宽带操作等优点。研究展示了多频段（如微波与太赫兹）、双极化波导干涉仪接收机，能够同时处理多个信道。
  
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  自振荡混频器拓扑：自振荡混频器（SOM）将LO生成和混频功能集成于一级，显著降低功耗。例如，基于谐波自振荡混频器（QHSOM）的架构支持无源（环境能量收集）和有源（同步接收）两种模式，适用于低功耗阵列系统。
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  ISAC阵列：面向大规模天线系统，虚拟收发机矩阵（VTM/VRM）结合组合模拟操作（CAO）的架构被提出，它通过虚拟映射接收通道和模拟域波束成形，实现硬件资源的动态分配和多功能并发执行，降低了数字处理复杂度和功耗。
  
  此外，波导接收机阵列展示了在共享孔径内集成通信、传感和无线功率传输（WPT）的能力。

关键使能技术

ISAC硬件的实现依赖于多项关键技术的进步。

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  天线与阵列系统：多功能天线阵列需支持波束赋形、极化分集和多频段操作。双极化天线与正交模转换器（OMT）结合，可在同一孔径内实现独立信道。
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  毫米波与太赫兹技术：毫米波和太赫兹频段提供大带宽和高空间分辨率，但面临传播损耗大、硬件集成挑战。基于硅工艺（CMOS, SiGe BiCMOS）的收发机芯片和光子辅助前端是研究热点。
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  光子学与超材料集成：光子前端提供高线性度和宽带处理能力。可重构智能表面（RIS）和超材料能动态调控电磁波，用于波束赋形和干扰抑制。
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  带内全双工天线：带内全双工（IBFD）天线通过极化隔离、缺陷地结构（DGS）和共同模抑制巴伦（CMSB）等技术实现高隔离度，是实现同时同频全双工ISAC的关键。

软件与信号处理触点

尽管文章以硬件为中心，但也强调了软件和信号处理的重要性。自适应波形设计（如OFDM雷达、FMCW通信）需要在传感分辨率与通信速率间取得平衡。动态资源管理算法负责频谱、空间和时间资源的智能分配。联合优化算法和人工智能（AI）技术被用于解决硬件层面的性能权衡问题，实现认知ISAC系统。

应用与演示系统

ISAC硬件在多个领域展现出应用潜力。

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  汽车ISAC：集成雷达传感与车联网（V2X）通信，可降低车载系统成本与复杂度。
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  无人机与飞行器传感：轻量化、低功耗的ISAC系统有助于无人机进行地形测绘和通信中继。
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  室内传感与6G系统：用于高精度室内定位、存在检测，并与6G网络融合。
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  工业与智能基础设施：在工业物联网（IoT）和结构健康监测中实现数据采集与通信一体化。

挑战与未来研究方向

尽管ISAC硬件取得显著进展，但仍面临诸多挑战。硬件小型化与成本控制需要在性能与复杂度间精细权衡。干扰管理，特别是带内全双工系统中的自干扰消除（SIC），要求苛刻。将实验室原型 scalable（扩展）至大规模市场并确保可靠性是关键。能量效率对于电池供电设备至关重要。未来的研究将朝向认知ISAC硬件发展，即硬件能够基于AI实时自主适配操作模式和环境变化。

结论与反思

该综述表明，ISAC代表了无线系统设计的范式转变，通过硬件资源的深度共享，将传感与通信功能无缝集成于统一平台。从雷达与通信系统的独立演进，到联合雷达通信（JRC），再到完全集成的ISAC解决方案，这一演进由技术进步、法规需求和多样化应用共同驱动。文章系统回顾了收发机架构、使能技术和应用场景，指出硬件复用和功能协同是核心优势，但同时也面临干扰管理、功耗、小型化和规模化等挑战。跨学科合作，结合软件定义控制和AI驱动优化，是实现认知ISAC和推动其从实验室走向实际部署的关键。随着技术向6G及更高阶段发展，ISAC有望在智能交通、自主系统、智能基础设施等领域发挥变革性作用，为构建智能、上下文感知的无线网络奠定坚实基础。非TEM模波导集成电路等新兴技术有望突破传统电压-电流型IC架构的限制，带来性能提升和成本降低。