6G 通信感知一體化架構與技術研究*

楊 艷，張忠皓，馬靜艷

(中國聯合網絡通信有限公司研究院，北京 100048)

0 引言

6G 是新一代的移動通信系統，其與5G 相比，支持更高的數據速率、更低的時延和更高的可靠性，并且更加親和用戶和業務，即可以為用戶提供針對性更強的高質量服務。此外，6G 也將無線融合通信納入研究范疇，其中通信和感知融合就是一種典型的融合通信。

一方面，無線移動網絡覆蓋范圍廣泛，是最大的陸地覆蓋網絡，與雷達等感知網絡相比，范圍更加廣泛，無線通信網絡與雷達系統相結合，可以實現感知范圍的極大擴展；另一方面，5G 和6G 已經極大地在技術上提升了網絡的質量，但是仍無法滿足不斷提升的業務需求，但感知的加入可以提升無線通信性能，實現網絡質量的提升。

目前，國內外專家已經對通感一體化技術開展了研究，分別從通信賦能感知、感知促進通信兩個角度進行了分析。文獻[1]-[3]介紹了6G中通感一體化的契機、場景，并分析了一些技術調整；文獻[4]對通感融合和定位技術的應用場景、技術和調整進行了描述；文獻[5]-[6]介紹了通感融合技術中波形選擇和新波形開發和研究；文獻[7]從安全的角度分析了通感融合的問題、調整并介紹了架構等；文獻[8]通過感知位置或者障礙物，智能化調整波束賦形，從而提高通信的效率和質量。

本文首先介紹了通信和感知一體化的必然性，分別從頻率、技術和業務需求3 個方面進行了介紹；然后從通感一體化不同的融合程度給出了3種架構；再次，介紹了通感融合的典型使能技術，最后對全文進行了總結。

1 通感一體化的發展的必然性

無線通信和感知一體化成為6G 重要的候選技術存在其必然性，可以從頻率趨同性、業務需求提升所需的資源激增化和技術實現一致化進行描述。

首先，通信與感知技術一直以來呈現并行發展的模式，在頻率選取上較為趨同，但是存在一定的差異。然而，隨著5G 毫米波和高頻頻段的使用，通信和感知的頻率從性能上已經具備一體化或者一波雙功能的可能性。表1 給出了通信和感知頻率的發展情況。

表1 通信和感知頻率的發展情況

其次，隨著業務的豐富化和性能極致化，業務的保證速率、時延和可靠性要求都有了很大的提高，例如高清和4K 視頻等都對網絡帶寬有較高的要求。Omdia 認為到2024 年，全球網絡流量將是2019 年的3.4 倍，期間復合年增長率(CAGR)達到28%。表2 給出了基于2019年數據進行的2024 年容量的需求預測情況[9]。相應的感知要求也在提升，從雷達成像就可以發現，其成像精度也從m 級向著cm 級演進，這也對傳輸帶寬有較高的要求。因此，通信和感知頻率共用頻率可以增加可用頻譜，提升頻譜利用率。

表2 全球網絡流量預測

最后，從通信技術發展的方向和趨勢來看，通信和感知也朝著相似的方向進行雙向互動。其中，通信在這方面的工作更加明顯，如超大規模天線的發展極大地提升了空間感知能力，使得基于無附加的無線通信網絡進行無線感知成為可能。

2 6G 通感融合架構發展

通信和感知融合或一體化是一種全新的網絡形態，因此在架構上將產生較大的改變，架構上的變化可以分為系統架構和無線(空口)架構的改變。系統架構研究需要考慮感知單元、用戶數據安全、計費策略等與整個通信網絡的融合；無線(空口)架構則是需要考慮無線設備集成程度存在的差異性進行研究。

通感融合系統架構需要添加新的網絡單元，并完成融合后的網絡管理功能。圖1 給出了建議的通感融合網絡的系統架構。在本架構中，較為明顯的改變是添加了感知服務器，該網元完成感知數據的處理和基于感知的無線資源分配中的一個或兩個功能，布放位置可以按照感知的范圍和感知的時間精度放置在核心網機房、MEC網絡邊緣或者與基站進行合設。

圖1 通感融合系統架構圖

從設備合設與分設的能力及部署需求來看，可以將通感融合無線架構初步劃分為以下3 個：

(1)簡單集成系統：這類結構將通信和感知系統進行合設或者將C&S 集成在一個平臺上，但是通過不同的資源(信號使用單獨的或甚至正交的資源)進行信息發送，減少了干擾，但是頻譜效率難以提升。圖2 給出了簡單集成系統的示意圖，圖中將2 個系統布置在一個設備上，但是使用頻率和波形都不同。

圖2 簡單集成系統架構示意圖

該架構的優點：

①通信和感知采用獨立波形設計、優化和資源分配；

②系統聯合設計、優化，可以進行部分網元的共用，節省了站址等資源。

該架構的缺點：

①由于資源的劃分和防護間隔或同等時間的要求，頻譜效率降低；

②系統集成的程度偏低，復合的發射機硬件復雜度高。

(2)基于頻率共享共存的架構：這類架構實際上是將通信和感知系統分別設計，但是在頻率、信道等資源上進行簡單的或者固定的共享，這樣可以減少聯合設計的系統交叉，但是通信和感知承載在一個系統上，并未進行波形的改變，將帶來較大的干擾，消除難度大。圖3給出了該架構的示意圖，該系統中通信和感知模塊還是獨立的，但是采用了同一波形進行傳輸，使用不同的RB進行通信和感知信息的傳遞。

圖3 基于頻率共享共存的系統架構示意圖

該架構有如下優點：

①相對獨立的系統設計和優化機制，可以通過人工智能進行資源調度；

②相對獨立的運行模式；

③較高的頻譜利用率。

該架構的缺點：

①感知需要全雙工工作模式，現有的波形進行部署存在潛在的巨大的相互干擾和復雜的干擾控制技術；

②設計的總成本很高。

(3)智能化通信與感知一體化系統：該類架構需要通過考慮新型的波形或者幀結構同時兼顧通信和感知，并且在設計之初就要平衡好通信和感知需求，因此設計難度較大且與以前系統的兼容性較差，但是具有有效提升頻譜效率、消除干擾等優點。圖4 給出了智能化通信與感知一體化架構的示意圖，本系統中通信和感知的功能已經完成融合，不再進行獨立傳輸，使用全新的同一波形進行傳輸。

圖4 智能化通信與感知一體化系統架構示意圖

該架構的優點：

①最高的頻譜效率(幾乎翻倍)；

②同時操作，無相互干擾；

③在硬件和信號處理方面，有完全共享的發射機和主要共享的接收機；最小的大小、重量和成本；

④聯合設計與優化，通過信息共享實現互利處理。

該架構的缺點：

①需要一個全雙工操作或等效的設置；

②由于傳輸功率有限(在移動網絡中)，單個節點的傳感范圍有限，但可以通過全網絡傳感來緩解；

③存在對C&S 要求相沖突的潛在性能損失；

④需要重新開發波形、幀結構等。

3 6G 通感融合使能技術

從現有的研究分析來看，6G 目前明確技術包括THz技術、大規模天線、IRS、AI、通信和感知融合等。這些技術從頻率、空間復用和智能化等角度提升了網絡的覆蓋和容量能力，極大地開拓了網絡的部署空間，并逐步向著極致化行業部署、網絡極簡化融合和低碳低能耗的方向發展。通信和感知融合中，由于同時需要兼顧通信容量和感知精度，因此需要更大的貸款、更豐富的空間信息和高性能的數據處理能力，下面將主要從這幾個方面進行介紹。

(1)新頻率技術

6G 使用的頻率將向著更高更寬的方向發展，據研究分析推測，6G 信道帶寬將有望比5G 大5 倍以上。在LTE中，只有10 GHz 以下的頻帶被占用，而5G 開始進行毫米波波段的使用。因此，對于6G，預計將達到100 GHz以上，可用的頻率也將向著更加高頻發展，如THz 等。而高頻或者超高頻的波長短，受到自然因素(如雨、雪等)和障礙物的影響較大，無法進行大范圍覆蓋，但是大帶寬可以很好地滿足大數據傳輸和高精度感知的需要，因此后續高頻率技術研究和設備的研究將進一步影響通感融合的發展進程。

(2)空間天線技術

空間技術主要指使用大規模和超大規模天線進行空間資源的復用，從通信的角度，可以突破香農極限，提升頻譜利用率；從感知的角度，多天線技術可以獲取較多的多徑信息，對成像和定位的精度都有較為明顯的影響。多天線技術研究現在受限于天線陣子干擾和智能化管理等方面的影響，需要開發新物理材料和管控機制的新型天線。

(3)人工智能技術

人工智能(如機器學習等)是提升網絡質量的重要技術，在6G 通感融合中，在面向通信和感知的無線接口資源分配和感知數據采集處理都將異常復雜，人工智能將極大地緩解這方面影響，實現通信-感知-智能的有效結合。深度學習已被用于各種感知用例，如靜態對象分類、基于雷達的墜落運動檢測、單個復雜幀中多個對象的檢測和定位[10]。通過人工智能技術實現感知位置或者障礙物，智能化調整波束賦形，從而可提高通信的效率和質量[8]。

(4)新波形研究

由于通信和感知在需求上存在差異，現有的波形無法滿足實際的應用，因此出現了新波形的研究需求。目前主要的研究方向是原有波形的復合疊加波形和新型波形。

在文獻[2]中提到了幾種典型的波形，如OFDM 等，通過復用可以滿足部分需求，但是由于不是專有波形，無法很好地兼顧通信和感知需求。表3 給出了復合波形的能力分析情況。

表3 復合波形能力分析

新波形研究是將通信和感知的需求直接融合波形變化中，如通過互信息等進行新波形開發。文獻[11]中就介紹了一種新波形，同時提升了通信和感知需求。

4 結論

通信和感知一體化是通信功能和感知功能高度融合的必然結果，可以合理統籌通信和感知的頻譜，從而滿足更高的業務需求，同時可以滿足感知全局化全域化部署。本文從通感融合的必然性進行分析，給出了通感融合的系統架構和空口架構，最后給出了頻率、空間和算力方面的技術研究建議。通感融合是一個新的領域，后續還需要對應用場景、架構、網元、信令和評價標準等方面進行深入的研究。