# Integrated Communication, Localization, and Sensing in 6G D-MIMO Networks

## INTRODUCTION

### D-MIMO：6G關鍵技術
D-MIMO被認為是第六代（6G）移動通信的一個關鍵元素。與傳統MIMO不同，D-MIMO具有分散式架構，其特性包括：

天線分佈：多個天線不再集中於單一位置，而是分佈在不同的Access Point(AP)中。
空間多樣性：實現更高層次的空間多樣性與合作通信。

### D-MIMO的優勢
D-MIMO帶來了一系列新功能和性能提升，例如：

* 阻塞避免：通過多AP協作，有效應對信號阻塞問題。
* 鏈路裕度提升：即使單個節點的輸出功率有限，D-MIMO仍能提供更高的鏈路裕度。
* 高可靠性與可用性：提供更可靠且穩定的通信服務。
* 均勻覆蓋：在整個覆蓋區域內實現更均勻的QoS

### Sensing mode：

單靜態模式（Mono-static Mode）：由單一AP完成Sensing操作。
多靜態模式（Multi-static Mode）：多個AP協作完成Sensing操作。

### ISAC的主要優勢：

集中資源分配：整合資源分配，使感知與通信功能共用資源，實現最佳化利用。
Interference management：統一管理干擾，提升系統穩定性與效能。
cost efficiency：合併功能的架構降低了硬體需求與運營成本。

### D-MIMO與ISAC的相輔相成
D-MIMO的分散式節點特性賦予了資源分配更高的靈活性，可在以下方面進行優化：

時間：靈活調整信號傳輸時序。
頻率：高效利用頻譜資源。
空間：分散多節點協作提高系統效率。
能量：針對不同功能（感知、定位、通信）進行節能優化。

### ISAC對D-MIMO網絡的促進
增強無線環境感知能力： 定位與感知（L&S）可檢測環境中的障礙物，提高網絡的動態調整能力。
簡化backhaul/fronthaul設計： L&S提供的環境數據使得僅需與用戶/物體保持強連接的AP進行協作，減少了協調開銷。

the distributed and cooperative characteristics of D-MIMO networks enable efficient joint communication, localization, and sensing, with reduced coordination requirements.

## DEPLOYMENTS AND ARCHITECTURES OF D-MIMO NETWORKS

一個理想的D-MIMO架構需要具備高**可擴展性**、**動態適應能力**，以及與現有網絡標準的**兼容性**。在未來的部署中，這些特性將成為構建高效且可持續網絡的關鍵。

1. **Indoors vs Outdoors**: 在室內和室外部署中均具有廣泛應用價值。**室內適合用於密集通信場景**，例如工業和辦公應用；而**室外則能提高城市地區的capacity and coverage**。同時，低視覺影響(LOS)的部署方式將成為未來的設計重點。

2. **Low bands vs High bands**: 在低頻段（FR1）和高頻段（FR2及以上）均展現出顯著的應用優勢。**低頻段強調光譜效率與感知性能提升**，而**高頻段則依賴宏多樣性提供高可靠性和高可用性**，特別適合需要LOS links的定位與感知應用。

3. **Centralized vs Distributed**: 前傳與回傳設計需要權衡處理分配、頻譜效率、硬體需求與流量成本。**高頻段傾向集中處理，而低頻段適合分散處理**，不同的操作模式和分層分割選項需根據具體應用場景靈活選擇。

4. **Wired vs Wireless**: 網路的前傳/回傳傳輸將基於光纖與無線的組合，光纖是首選，但無線傳輸提供靈活性與快速部署的優勢。**Integrated access and backhaul(IAB)** 技術作為一種整合接入與回傳的解決方案，能夠進一步提升資源分配的靈活性，適應多樣化需求。

5. **Full-duplex vs Half-duplex**: **Full-duplex能夠提高通信性能並使Mono-static sensing成為可能**，但實現Full-duplex面臨**self-interfrence cancellation的挑戰**。儘管如此，適當的天線部署、beamforming以及密集的D-MIMO AP部署可有效減少自我干擾的影響，提升整體系統效能。

6. **Coherent vs Non-coherent**: 相位同步是D-MIMO系統中實現Coherent joint transmission(CJT)的重要組成部分，**尤其對於低頻頻段的部署非常有利**。雖然在高頻下可能會選擇非相干傳輸，但低頻可以透過空中校準來實現相位對齊，從而提升系統效能和可靠性。

## MULTI-FUNCTIONAL VIEW OF D-MIMO
### A. D-MIMO from a Communication Perspective
* **Indoor and outdoor considerations**
在室內通信中尤為重要，尤其是當有大量的使用者設備（UEs）且要求高品質的性能。在室外部署中可以提升容量，提供可靠的覆蓋

* **Operational bands**
D-MIMO 的多節點(AP)部署提供了運行於不同頻段的靈活性，能夠根據不同的情境需求進行調整，以滿足不同行業的需求。
根據不同的時間和場景需求，靈活調整工作頻段以達到最佳的QoS和感知性能。
* **Centralized and distributed processing**
**集中式或分散式處理的選擇依賴於 AP 的處理能力和運行頻率**。分散天線部署使得資源調配更具靈活性，同時多節點的設計有助於防止服務中斷並減少自干擾，從而提升 D-MIMO 系統的穩定性和效能。
* **Fronthaul and backhaul**
無線前傳/回傳適用於戶外、快速部署場景，而有線前傳/回傳適用於需要高可靠性和容量的室內場景。前傳/回傳架構在協作通信、多頻帶運作和可擴展性方面帶來顯著優勢，有助於提高 D-MIMO 網絡的性能和靈活性。
* **Half- and Full-duplex**
**Full-duplex在通信中是優選的**，因為它幾乎可以將頻譜效率（SE）提高一倍。然而，現有的問題是**自干擾（self-interference）**，全雙工提供更多的靈活性，例如在通道估計和干擾協調方面。
* **Coherent and non-coherent processing**
確保來自不同 AP 的信號能夠協同干涉，最大化接收端的信號強度。時間同步則確保來自不同天線的信號在時間上同步，這對於正確解碼信號尤其重要，特別是在使用先進信號處理技術（如波束成形）的系統中。

### B. D-MIMO from a Localization and Sensing Perspective
UL pilots適用於通道估計和基於互易性的預編碼，與 D-MIMO 的標準處理模式兼容。
DL pilots則具有重用性，可實現高效的資源分配，並支持多種感測模式，包括雙靜態和單靜態感測。
在 D-MIMO 系統中，定位不僅是針對 UEs，也涉及對 AP 的定位，尤其在系統中加入新的 AP 時，定位和校準的過程是非常重要的。

* **Indoor and outdoor considerations**
室內部署需要更多帶寬和創新的信號處理來**處理多徑效應和障礙物的干擾**。
室外部署需要**解決高移動性和高傳輸損耗問題**，並依賴創新的波形和信號處理技術來支持高速移動。
在定位方面，室外場景尤其重視AP的高度分佈來提高定位準確性，這在開放空間和有顯著地形變化的環境中尤為重要。
* **Operational bands**
低頻段（FR1）中的**多徑效應對L&S構成挑戰**，但相位相干處理和機器學習技術（如指紋識別）能夠幫助解決這些問題。
高頻段（FR2及以上）多徑效應較少，並且可利用較大的帶寬來排除干擾，但相位同步的挑戰使得需要回歸傳統方法，並且在這些頻段中，視距阻塞檢測會顯得尤為重要。

* **Centralized and distributed processing**
**在設計 D-MIMO 系統時，必須考慮三個重要的擴展性方面：更新速率、傳輸與處理**
L&S 系統具有較低的更新速率，使得它能夠隨著用戶數量或物體數量的增加而靈活擴展。
傳輸: 需要協調時間與頻率，以便適應更多發射器的數量。
處理: 下行定位可以分散式處理，而感測和上行定位則需要數據融合，這可能會引入延遲。非相干處理的數據需求相對較小，而相位相干處理則可能需要大量數據並且要求長時間的多普勒估計來區分移動物體與背景干擾。
* **Fronthaul and backhaul**
為了保證 AP 之間的協調運作，需要精確的時間同步和/或相位同步。這將對fronthaul或backhaul提出額外要求。例如，必須安裝有線連接至主時鐘，或需提供基於空中協議的連續運行時間同步機制。這些同步要求對於感測（sensing）系統的性能也至關重要。
* **Half- and Full-duplex**
**Localization**：定位不需要全雙工設備，因為定位技術通常不要求同時進行上下行通信。然而，具備全雙工能力的感測設備可以幫助減少波束訓練（beam training）所需的開銷，從而提高定位效率。
**Mono-static sensing**：對於單靜態感測，每個 AP 應該能夠運行在全雙工模式下，或者應配備一個良好隔離的發射器和接收器，並共用一個時鐘。這樣可以提高感測精度和可靠性。
**Multi-static sensing**：不要求全雙工模式，但發射的正交信號應該進行良好的協調，以避免干擾並提高感測的準確性。
* **Coherent and non-coherent processing**
**Delay-based positioning**：需要在 AP 之間實現精確的時間同步（亞奈秒級），以便將來自不同 AP 的延遲測量進行關聯。如果無法實現如此精確的同步，可以使用往返時間（round-trip-time）協議進行定位。而在感測（sensing）中，視距（LOS）信號可以提供時間參考，進一步支持定位。
**Phase-coherent processing**：在L&S任務中，必須實現精確的相位同步，確保一個 AP 的信號相位能夠與另一個 AP 的信號相位對應。這意味著信號相位不僅需要固定，還需要完全已知。因為在定位與感測中，相位測量被用來提取幾何信息（如延遲與位置），這與通信中利用頻道估計補償固定相位偏移的方式不同。在通信中，頻道估計本身可以彌補固定的相位偏移，因此不需要確切知道相位值。
## IV. TOWARD ISAC IN D-MIMO: POTENTIALS AND IMPLEMENTATIONS
### A. ISAC D-MIMO Architectures

### B. ISAC D-MIMO Standardization
通信網路通常依賴標準化的操作，以確保全球互通性和一致性。
感測技術則更多地基於專有解決方案（非標準化），導致不同系統之間可能存在不兼容性。

### C. ISAC D-MIMO Quantitative Benefits—A Case Study
在 ISAC（感測與通信整合）D-MIMO 系統中，通信、定位與感測可以和諧運作，實現資源共享與性能提升。例如：

Sensing：檢測阻塞狀態，為通信提供路徑選擇的基礎。
Localization：基於先前生成的無線電地圖進行 CSI（通道狀態信息）估計，改善通信質量。


### D. ISAC D-MIMO—Implementation Opportunities and Challenges

D-MIMO 系統在可擴展性與同步性方面面臨顯著挑戰。目前的同步方案各有利弊，例如以太網同步雖可靠但不可擴展，而空中同步雖靈活但可能帶來額外開銷。1-bit 光纖前傳架構提供了一種創新方法，通過簡化 AP 設計實現低成本同步，但仍需進一步研究其在大規模部署中的應用潛力

實驗證明了 D-MIMO 中 AP 幾何排列的重要性，特別是在提升定位準確度方面。然而，通信性能受幾何排列的影響有限，顯示了該系統在部署上的靈活性與成本優勢。因此，在網絡設計中可以針對定位優化 AP 部署，並確保在較低成本下達成通信與定位的雙重目標。

## CONCLUSION
ISAC 在 D-MIMO 系統中的應用展現了顯著的性能提升潛力，但也帶來了新挑戰。特別是在同步、可擴展性和動態環境適應性方面，仍需持續的技術突破與研究進展。這些問題為 D-MIMO 和 ISAC 領域提供了豐富的理論和實踐研究機會，將在推動 6G 發展中扮演關鍵角色。