自动驾驶车辆对周围环境的感知能力和与外界的信息交换能力正在从独立演进的轨道走向融合。传统架构中，感知系统依赖毫米波雷达、激光雷达和摄像头等专用传感器，通信系统则依靠蜂窝车联网或无线局域网的车载版本等独立天线模块。这两种系统在频谱资源、硬件平台和信号处理流程上彼此隔离，导致车辆需要为感知和通信分别配置独立的天线阵列和射频前端，增加了车辆的成本、重量和功耗。大规模多输入多输出技术作为第五代移动通信和未来通信系统的关键使能技术，通过在基站和终端侧部署大量天线单元来实现空间复用和波束赋形增益。毫米波雷达则利用调频连续波或其它波形体制，通过发射和接收反射信号来探测目标的位置与速度。两者在物理层面存在共性，即都需要在毫米波频段或厘米波频段进行相参发射和接收，都依赖阵列信号处理算法来分辨空间中的不同方向，并且都受到电磁波传播环境的制约。将这些共性转化为实际的一体化设计，使得同一套有源天线阵列和射频通道能够同时或分时地执行通信和感知功能，正在成为自动驾驶领域的重要技术方向。
大规模多输入多输出与毫米波雷达融合的一体化天线设计需要解决波形复用和资源分配两个基本问题。在波形复用方面，通信系统通常采用正交频分复用波形，这种波形具有高频谱效率和良好的抗多径能力。毫米波雷达传统上采用线性调频连续波波形，通过测量发射信号与回波之间的频率差来解算距离和速度。一体化设计可以采用两种波形融合策略。第一种策略是设计全新的联合波形，该波形同时具备通信信息承载能力和雷达测量能力。第二种策略是在同一帧结构中分时或分频地安排通信符号和雷达符号。从工程可行性角度看，基于正交频分复用波形的雷达感知技术已经发展成熟，通过分析正交频分复用符号在子载波上的相位变化可以提取距离和速度信息。因此当前一体化系统更倾向于在正交频分复用通信波形的基础上叠加雷达感知功能，即使用同一组正交频分复用符号既向通信接收机传递信息，又通过分析自身发射信号的回波来感知环境。这种方式不需要改变波形体制，只需在通信信号处理链路中增加雷达信号处理分支。大规模多输入多输出系统使用大量天线单元形成的窄波束可以为雷达感知提供空间分辨能力，同时这些波束也可以指向通信接收机以实现高增益数据传输。
在硬件资源层面，一体化天线阵列需要同时满足通信和感知的性能要求。通信系统对天线阵列的要求主要体现在覆盖范围和吞吐量上，通过波束赋形将发射能量集中在通信接收机所在的方向以提高信噪比。感知系统对天线阵列的要求则体现在角度分辨率和动态范围上，需要天线阵列具有足够大的物理孔径。一体化设计采用共享的天线阵列，该阵列由多个独立的天线单元组成，每个单元连接一个收发通道。在通信模式下，所有通道协同工作产生指向特定方向的通信波束。在雷达模式下，这些通道可以按照时间双工或频率双工的方式发射相互正交的波形，通过接收回波信号构建虚拟阵列。这种共享架构使得硬件复用率最大化，射频开关网络可以将同一个功率放大器输出的信号根据需要分配到不同的天线单元。从成本和体积角度看，共享天线阵列相比于两套独立的天线系统能够节省大量车内安装空间，并且减少了射频线束的数量。一体化天线阵列的单元间距需要同时考虑通信频段和雷达频段的波长，通常选择折中的间距值使两者在主要工作方向上的栅瓣水平处于可接受范围。
信号处理算法的融合是推动一体化设计从理论走向实际应用的核心环节。在传统独立系统中，通信接收机处理的是来自其他车辆或路边基础设施的直达信号，而雷达接收机处理的是经目标反射后的回波信号，两者的信噪比特性和信道统计特性有显著差异。一体化系统需要能够根据当前的工作模式自动切换或融合信号处理算法。当系统处于通信模式时，接收信号处理链路执行信道估计、均衡和解映射操作，恢复出原始信息比特。当系统处于雷达模式时，接收信号处理链路执行距离多普勒处理和恒虚警率检测，提取目标点云。更为先进的一体化系统实现了通感融合处理，即利用通信接收过程中估计出的信道状态信息来辅助雷达感知。来自通信节点的直达信号虽然不直接用于探测目标，但通信节点的位置如果已知，该直达信号的到达角和多普勒频移可以用于校准雷达系统的角度测量偏差和速度测量偏差。反过来，雷达感知到的环境信息也可以辅助通信波束管理。如果雷达探测到某个方向存在大型车辆或建筑物，系统可以主动避免将通信波束指向该方向，因为该方向的反射路径可能不稳定。这种通感互惠机制是独立系统无法实现的。
在高速公路行驶场景中，一体化系统展现出独特优势。车辆需要与前方车辆保持安全距离，同时需要与路侧单元进行高速数据通信。一体化系统使用前向天线阵列发射通信波束与路侧单元建立连接，同时该通信波束的一部分能量被前车反射回来。一体化接收机在解调通信数据的同时，对回波信号进行雷达处理，实时计算前车的距离和相对速度。这种同时进行的通信和感知能力使得车辆无需为雷达检测额外占用时间资源。当系统检测到前车紧急制动时，一体化接收机可以在收到通信数据的同时向制动控制器发送预警信号，这种并行处理架构相比于分时复用方式具有更短的系统响应延迟。在交叉路口场景中，车辆需要探测来自侧向的行人和非机动车，同时需要与路口处的红绿灯控制器通信获取信号相位信息。一体化天线中的侧向阵列可以在雷达模式下发射探测波形并接收行人反射信号，同时在该探测波形的间隙或通过独立的资源块接收来自红绿灯控制器的通信信息。侧向阵列的波束扫描功能既覆盖了行人和非机动车可能出现的角度范围，又保持了与路口通信节点的链路连接。
一体化设计的工程实现还面临射频通道的非线性与噪声耦合问题。当同一套收发通道同时处理通信信号和雷达回波时，通信信号的高峰均比可能导致功率放大器进入非线性区，产生谐波和互调分量。这些非线性产物可能落在雷达接收频带内，形成自干扰。一体化系统的数字预失真模块需要同时补偿通信波形的非线性和雷达波形的非线性。雷达波形通常是确定性波形，预失真系数可以预先计算并存储在查找表中。通信波形具有随机性，预失真需要采用自适应算法在线更新。热噪声耦合问题表现为通信接收链路的噪声会通过电源或衬底耦合到雷达接收链路，而雷达接收机通常需要较高的灵敏度以检测微弱目标回波。一体化设计采用物理隔离和滤波措施来抑制噪声耦合，在电路板布局上将通信接收通道与雷达接收通道分开布置，并为每个接收通道配置独立的电源管理单元。这些措施在一定程度上增加了设计复杂度，但相比完全独立的两套系统仍具有整体优势。大规模多输入多输出与毫米波雷达融合的天线一体化设计代表了车辆传感器与通信设备从分立走向整合的趋势，这种整合在硬件资源利用效率和信号处理协同能力两个维度上都创造了新的技术可能。
