作者：Houman Zarrinkoub，MathWorks首席产品经理

从1G到即将到来的6G，网络拥塞一直是无线通信面临的持续挑战。随着连接设备数量的激增，必须合理分配有限的可用带宽，以实现更高的网络容量和速度。最近出现了两项最有希望解决这一挑战的技术进展：通感一体化（ISAC）和可重构智能表面（RIS）。无论是单独使用还是组合使用，ISAC和RIS都可以提升容量、减少拥塞并提供更好的用户体验。

了解ISAC和RIS

ISAC为网络运营商提供更多有关用户的智能信息。ISAC支持资源的高效复用，包括硬件和波形等，从而将传感和通信功能结合起来。提供通信服务的设备还可以感知环境，提供有关用户位置和移动的宝贵数据。访问这些数据可使网络与用户进行最佳通信，从而增强用户体验。

另一方面，RIS解决了信号阻塞和信号功率低的问题，尤其是在高密度城市环境中。RIS允许根据用户的位置重新配置射频信号的反射。一旦确定了用户的位置，RIS就会操控信号的相位、幅度和极化，将其导向特定用户。此功能可确保信号到达目标受众，即使在有障碍物的环境中也是如此，例如茂密的树叶、城市地区的高楼大厦或有多个墙壁和隔板的室内环境（图1）。

图1：ISAC和RIS使无线信号路径能够跨越城市建筑物连接用户。

ISAC和RIS的协同

ISAC和RIS的真正力量在于它们的协同。ISAC的感知能力可以告知RIS如何最好地引导信号。RIS使用ISAC提供的数据来最大限度地减少干扰并确保每个用户都能获得最强的连接。实时调整信号路径并引导信号绕过障碍物有助于缓解网络拥塞并优化可用带宽。

ISAC和RIS结合的一个关键优势是其经济可行性。这些技术不需要新的基站，并且只需要很少的新硬件和投资。工程师可以将它们集成到现有的网络设置中，避免重大的基础设施变更。ISAC使用现有的基站设置，仅通过感知能力优化运行。虽然RIS需要在超表面方面进行一些投资，但总体硬件投资明显低于部署新基站或改造现有网络基础设施。

ISAC和RIS的潜在用例

ISAC和RIS的结合有望解决网络拥塞问题并增强各种应用中的连接性，包括宽带无线通信、自动驾驶汽车和智能制造。

宽带无线通信

在城市环境中，障碍物会导致信号恶化，ISAC和RIS克服了这些挑战，实现了稳定、高速的互联网接入。ISAC收集有关用户位置和移动的信息以优化信号传输。RIS使用具有可重构元素的建筑表面，根据ISAC提供的用户位置改变信号并增强连接性。

自动驾驶汽车

在自动驾驶汽车运行中，ISAC提供定制化的通信服务，实现用于实时决策的精确可靠通信。RIS允许工程师操控环境，确保信号仅集中在需要的地方。在自动驾驶汽车通信中使用ISAC和RIS可以减少事故并改善交通流量，支持安全高效的运营。

智能制造

智能制造依靠高效的通信和感知来优化生产流程并提高运营效率。ISAC和RIS技术通过在制造设施内实现实时数据交换和环境监控来促进这些目标的实现。ISAC的感知功能可提供对机器运行和环境条件的详细洞察，而RIS通过动态调整信号路径以避免干扰来确保可靠的连接。这种组合增强了制造系统的灵活性和响应能力，即使在高度拥挤的工业环境中也能更有效地利用资源并减少停机时间。

ISAC和RIS部署的最佳实践

工程师应采用各种最佳实践，包括环境建模、自定义波形开发以及先进的算法和硬件实现，从而有效地将ISAC和RIS部署到现代通信系统中。

传播环境的精确建模和仿真对于成功部署ISAC至关重要。建模过程中的任何误差都会传播并影响最终设计。必须准确建模路径损耗、多径和信号反射，以优化性能和系统效率。此外，通过模拟环境中电磁波的反射、折射和衍射，使用射线追踪来建模无线信道至关重要。射线追踪需要极高的精度，因为它容易受到大气影响。建模和仿真之所以至关重要，是因为传播环境的准确性直接影响波形的有效性。

基于行业标准的无线通信波形无法用于ISAC和RIS设计。相反，工程师必须设计自定义波形以使感知和通信能够无缝协作。工程师可以使用MATLAB中的无线波形发生器应用程序来生成基于标准的波形（图2）。精心设计的波形使ISAC和RIS能够实现高分辨率感知并保持强大的通信链路。在部署ISAC和RIS系统时，其成功取决于波形设计以及管理精确感知和通信所需复杂计算的先进算法和硬件解决方案。

图2：使用MATLAB中的波形生成器应用程序生成自定义波形。

部署ISAC和RIS技术需要开发高效的算法和先进的硬件解决方案，以确保可靠的实时性能。由于现场可编程门阵列(FPGA)具有高速处理能力，工程师必须主要在其上实现算法，但这给FPGA的实时性能带来了负担。因此，必须使用FPGA就绪IP块来优化实现ISAC和RIS的算法。

6G及未来的ISAC和RIS

随着6G无线通信时代的临近，网络拥塞带来的挑战也日益严峻。ISAC和RIS的集成有可能通过实现感知和通信的同步进行、优化信号传播和覆盖来改变许多行业。它们的经济可行性使其更具吸引力，因为它们提供了高效的解决方案，可以利用现有的基础设施，而无需进行大规模的改造。随着工程师不断突破6G无线通信及其他技术的界限，ISAC和RIS的协同作用将在塑造未来无线网络方面发挥核心作用。