面向云無線接入網(wǎng)的通信感知一體化：應(yīng)用和挑戰(zhàn)

鄒佳琪 ，劉宇陽 ，鄒子軒 ，崔原豪 ，孫松林

(1.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876；2.移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；3.可信分布式計(jì)算與服務(wù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876)

0 引言

通信感知一體化是指通過資源共享或信息共享同時(shí)實(shí)現(xiàn)感知與通信功能協(xié)同的新型信息處理技術(shù)。通信感知一體化作為6G 未來發(fā)展的核心技術(shù)之一，為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來機(jī)遇的同時(shí)，也帶來了諸多挑戰(zhàn)。目前，云無線接入網(wǎng)作為5G 網(wǎng)絡(luò)的主流架構(gòu)，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。如何將通信感知一體化技術(shù)與現(xiàn)有的云無線接入網(wǎng)結(jié)合是目前研究的重點(diǎn)。本文對(duì)當(dāng)前研究進(jìn)展從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信號(hào)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)三方面進(jìn)行了總結(jié)調(diào)研，并對(duì)未來挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析。

1 發(fā)展現(xiàn)狀簡介

1.1 通信感知一體化簡介

隨著無線通信和電子集成技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于感知能力產(chǎn)生了巨大的需求，這催生出了一種新的技術(shù)——通信感知一體化技術(shù)[1-3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的感知與通信技術(shù)，通信感知一體化技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在通信與感知技術(shù)的集成化可以帶來集成增益，使本就擁擠的通信和硬件資源得到更加充分、有效的利用，并且兩種信號(hào)還能夠優(yōu)勢互補(bǔ)、協(xié)調(diào)增益。這一趨勢在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)時(shí)就已經(jīng)開始展現(xiàn)，其額外的感知能力被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵范式轉(zhuǎn)變。

6G 作為新一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，與5G 相比，具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更強(qiáng)的可靠性和更低的時(shí)延，并且可以進(jìn)一步促進(jìn)萬物互聯(lián)、智能社會(huì)的發(fā)展[4]。也正是這一需求，造就了通信感知一體化技術(shù)成為6G 重要候選技術(shù)的必然性。通信感知一體化技術(shù)需要一種全新的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)使其優(yōu)勢最大化，因而在網(wǎng)絡(luò)層面的設(shè)計(jì)必不可少。

1.2 云無線接入網(wǎng)簡介

云接入網(wǎng)(Centralized，Cooperative，Cloud and Clean RAN，C-RAN)的基本定義是：基于分布式拉遠(yuǎn)基站，云接入網(wǎng)C-RAN 將所有或部分基帶處理資源進(jìn)行集中，形成一個(gè)基帶資源池并對(duì)其統(tǒng)一管理與動(dòng)態(tài)分配，在提升資源利用率、降低能耗的同時(shí)，通過對(duì)協(xié)作化技術(shù)的支持提高網(wǎng)絡(luò)性能[5]。

5G 接入網(wǎng)將原本的基帶處理單元功能(BaseBand Unit，BBU)拆分重構(gòu)為了集中單元(Centralized Unit，CU)和分布單元(Distributed Unit，DU)，其中CU 設(shè)備實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的無線高層協(xié)議棧功能，DU 設(shè)備支持物理層和實(shí)時(shí)的功能性需求，兩者的區(qū)別主要在于實(shí)時(shí)性。其中CU設(shè)備采用通用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，使其不僅可以支持無線網(wǎng)功能，也能夠支持核心網(wǎng)功能和邊緣應(yīng)用功能；DU 采用多平臺(tái)模式，支持高強(qiáng)度的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，在引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualization，NFV)后，配合軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Network，SDN)控制器可以實(shí)現(xiàn)靈活的資源配置能力，滿足實(shí)現(xiàn)快速部署的需求。基于CU/DU 的C-RAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于CU/DU 的C-RAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

這一架構(gòu)可以依據(jù)場景實(shí)時(shí)靈活部署功能單元：在傳輸網(wǎng)資源充足時(shí)，可以集中化部署DU 單元，實(shí)現(xiàn)物理層的功能協(xié)作；當(dāng)傳輸網(wǎng)資源不足時(shí)，可以分布式部署DU 單元。CU 在實(shí)現(xiàn)原基帶處理單元功能BBU 的同時(shí)，兼顧了DU 的集中部署和分布式部署的功能，可以在保證最大化協(xié)作能力的基礎(chǔ)上，兼容傳輸網(wǎng)能力。

2 結(jié)合通信感知一體化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)與感知技術(shù)的聯(lián)合增益，根據(jù)現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展特點(diǎn)，筆者認(rèn)為感知移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(Perspective Mobile Network，PMN)技術(shù)[6]為通感一體化提供了一個(gè)良好的架構(gòu)。

PMN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示[6]。

圖2 PMN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

PMN 架構(gòu)可以從一般的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)演化而來，對(duì)于C-RAN 架構(gòu)更是如此。在這個(gè)架構(gòu)中，射頻拉遠(yuǎn)單元(Radio Remote Unit，RRU)的分布是密集且時(shí)鐘同步的，都是通過GPS 實(shí)現(xiàn)同步，通信感知一體化的信號(hào)是通過BBU 單元進(jìn)行收集，并集中在一個(gè)C-RAN 進(jìn)行處理(具體是通過C-RAN 中的BBU 池進(jìn)行信號(hào)的處理)。

另外，可以在多輸入多輸出技術(shù)(Mutiple Input Multiple Output，MIMO)中使用同一個(gè)子載波使多個(gè)RRU 單元為客戶端提供協(xié)同服務(wù)。同時(shí)，分布式放置的RRU 單元還能夠?qū)崿F(xiàn)感知信號(hào)的收集，多個(gè)RRU 協(xié)同工作能夠提高感知的靈活性。雖然這么做可能會(huì)增加傳輸功率，但是從通感一體的整體性能來看，還是很有必要的。

3 通信感知一體化信號(hào)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的優(yōu)先級(jí)和底層信號(hào)系統(tǒng)側(cè)重的功能，目前，通信感知一體化系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)可分為以下3 類：以通信為中心的信號(hào)設(shè)計(jì)、以雷達(dá)為中心的信號(hào)設(shè)計(jì)、通信感知的聯(lián)合設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

3.1 以通信為中心的信號(hào)設(shè)計(jì)

在以通信為中心的信號(hào)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)為通信系統(tǒng)，而雷達(dá)感知的信號(hào)系統(tǒng)是其附加部分。該設(shè)計(jì)的基本思路是使用通信系統(tǒng)的信號(hào)波形，通過環(huán)境目標(biāo)的返回波形提取所需的感知信息。該類信號(hào)設(shè)計(jì)基于已有的通信模型進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，主要的通信信號(hào)和協(xié)議基本保持不變。

(1) 在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，花崗巖的載荷峰值比大理巖的載荷峰值大，同類巖石中預(yù)制裂紋試樣和完整試樣的載荷峰值與峰值位移比值差別不大，而花崗巖的載荷峰值與峰值位移比值大于大理巖的。

針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以通信為中心的信號(hào)設(shè)計(jì)系統(tǒng)可分為兩種方法，即基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)和基于移動(dòng)通信等大型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)感知的功能。兩類通信系統(tǒng)分別使用單載波和MIMO-多用戶的正交頻分復(fù)用(Orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)信號(hào)。在最近的車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，研究者們分別實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.11ad JCR 系統(tǒng)[7-9]與移動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)[6，9]。該設(shè)計(jì)便是以通信為中心的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的典型案例。

由于通信信號(hào)與雷達(dá)感知信號(hào)具有顯著的區(qū)別，如何設(shè)計(jì)感知的信號(hào)算法成為以通信為中心的信號(hào)設(shè)計(jì)的突破重點(diǎn)。在研究可選的感知算法之前，研究者必須考慮兩個(gè)問題：如何處理接收信號(hào)中的有效信息、如何處理接收信號(hào)中的雜亂信號(hào)。針對(duì)多用戶-MIMO 信號(hào)，例如在下行鏈路感知中從多個(gè)RRU 接收的信號(hào)，或者從多個(gè)終端的獨(dú)立BS 接收的信號(hào)，有兩種方法可以解決第一個(gè)問題。一種方式是將接收到的信號(hào)直接轉(zhuǎn)到感知算法，這類直接感知的算法具有較高的計(jì)算復(fù)雜度；另一種則是間接感知估計(jì)。

針對(duì)處理接收信號(hào)噪聲的問題，通常而言，許多消除噪聲的方法適用于通信系統(tǒng)，然而在面向感知的場景下，一些噪聲的消除可能會(huì)損害返回信號(hào)的信息，此時(shí)一些背景濾波技術(shù)會(huì)是較好的選擇[10]。在解決了這些問題后，就可以考慮感知算法的選擇，例如DFT、最大似然估計(jì)等。

3.2 以雷達(dá)為中心的信號(hào)設(shè)計(jì)

與3.1 節(jié)相反，以雷達(dá)為中心的信號(hào)設(shè)計(jì)在已知雷達(dá)波形的基礎(chǔ)上，對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制等操作，以達(dá)到通信的目的，從而實(shí)現(xiàn)通信感知一體化。

雷達(dá)系統(tǒng)，特別是軍用雷達(dá)系統(tǒng)，具有長達(dá)數(shù)百公里的遠(yuǎn)程作戰(zhàn)能力。因此，在雷達(dá)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通信功能的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，而與衛(wèi)星通信相比，基于雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的通信延遲也要低得多。

以雷達(dá)為中心的通感一體信號(hào)設(shè)計(jì)的研究主要集中在信息嵌入技術(shù)上，而基于以雷達(dá)為中心的通信協(xié)議、接收機(jī)設(shè)計(jì)以及其他方面的工作就比較有限。

3.3 通信感知的聯(lián)合設(shè)計(jì)與優(yōu)化

通信感知的聯(lián)合設(shè)計(jì)與優(yōu)化并沒有側(cè)重于任意一類通信信號(hào)設(shè)計(jì)或者雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)初衷是通過設(shè)計(jì)調(diào)控方式實(shí)現(xiàn)通信感知的共同優(yōu)先級(jí)。

面向云接入網(wǎng)的通感一體的設(shè)計(jì)遵循以通信為中心的信號(hào)設(shè)計(jì)思路，針對(duì)的實(shí)際應(yīng)用場景也是大型移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)于一個(gè)MIMO-OFDM 系統(tǒng)，在所有天線上的第k 個(gè)OFDM 符號(hào)中，載波n 處的基帶傳輸信號(hào)可以表示為：

其中，P為空間預(yù)編碼矩陣，S為數(shù)據(jù)向量，既可以是接收到的直接調(diào)制的星座點(diǎn)，也可以是已知的導(dǎo)頻點(diǎn)。在MIMO-OFDMA 系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被分配到涉及天線、子載波和OFDM 符號(hào)組的資源塊，它們通常不重疊。

所有天線在子載波處接收到的頻域基帶信號(hào)為：

云接入網(wǎng)中通感一體的信號(hào)設(shè)計(jì)通常是將單用戶MIMO-OFDM 模型擴(kuò)展到多用戶MIMO-OFDMA，假設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到來自其他節(jié)點(diǎn)的返回信號(hào)，并將這些信號(hào)用于感知。如移動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)PMN 就提出了以下3 種感知場景：單一基站中的下行感應(yīng)(基站使用自己的反射傳輸信號(hào)進(jìn)行感知，類似于一個(gè)單一的雷達(dá))、單一基站的上行感應(yīng)(返回信號(hào)來自移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的無線用戶設(shè)備)、RRU 中的下行感應(yīng)(返回信號(hào)來自感知RRU 所接收到的下行鏈路通信信號(hào)，包括其自身產(chǎn)生的回波)。

4 通信感知一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)

通信與感知模塊具有不同的工作機(jī)制，以雷達(dá)感知為例，雷達(dá)根據(jù)工作機(jī)制可分為脈沖式與連續(xù)波雷達(dá)，而通信則采用時(shí)分或頻分雙工。因此，為實(shí)現(xiàn)感知和通信體制的進(jìn)一步融合，需要設(shè)計(jì)新的傳輸協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)兩者功能的協(xié)同傳輸。

基于通用的分類方法，通信感知一體化系統(tǒng)的功能可分為感知層、通信層和應(yīng)用層。感知層負(fù)責(zé)從物理世界收集信息，通過通信層在系統(tǒng)中進(jìn)行通信。現(xiàn)有的研究大多將感知層和通信層分開處理，而對(duì)兩者之間的相互作用研究較少。

目前，基于信息時(shí)延的研究可以認(rèn)為是邁向綜合感知和通信優(yōu)化的一步。信息時(shí)延從基于目標(biāo)的角度測量感知狀態(tài)觀察的延遲，共同考慮采樣延遲和通信延遲[11]，這樣通信與感知協(xié)調(diào)問題就轉(zhuǎn)化為最小化信息時(shí)延問題。基于信息時(shí)延的優(yōu)化方案通過開發(fā)信息時(shí)延最小化調(diào)度協(xié)議來解決這個(gè)問題。

然而一些研究者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，僅信息時(shí)延本身并不能充分反映信息感知質(zhì)量，因此應(yīng)該對(duì)信息時(shí)延進(jìn)行更加深入的分析和優(yōu)化。文獻(xiàn)[12]～[13]提出了更加精確的信息時(shí)延概念，旨在定義一個(gè)新的時(shí)間度量，這在測量特定應(yīng)用中的信息質(zhì)量方面比信息時(shí)延更準(zhǔn)確。另一方面，從通信的角度看，介質(zhì)訪問控制MAC 設(shè)計(jì)可以看作是一種增強(qiáng)的載波感知多址方案，其中接入概率根據(jù)終端的感覺狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分。為了改進(jìn)載波感知多址類型的基于競爭的隨機(jī)訪問方案，研究者作出了廣泛的努力，提出了一些方案可以通過確定訪問的優(yōu)先級(jí)[14-16]或增強(qiáng)物理訪問能力來優(yōu)化[17-18]。為了確定訪問優(yōu)先級(jí)，有研究者提出了擴(kuò)展訪問禁止技術(shù)[15]，該技術(shù)在接入點(diǎn)廣播閾值選取上隨機(jī)選擇一組終端發(fā)送，每個(gè)終端產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)。稀疏碼多址[17]和波束形成[18]技術(shù)可以看作是分別通過增強(qiáng)碼域和空間域的接收能力來增加并發(fā)終端的數(shù)量。

5 結(jié)論

基于通信感知一體化技術(shù)與現(xiàn)有的云無線接入網(wǎng)結(jié)合的問題，本文對(duì)面向云無線接入網(wǎng)的通信感知一體化技術(shù)進(jìn)行了深入探討和總結(jié)分析。未來在通信感知一體化與云接入網(wǎng)技術(shù)的研究演進(jìn)過程中將面臨多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：設(shè)計(jì)有效的通信感知一體化的波形，降低信號(hào)干擾，獲得更高的協(xié)同增益；進(jìn)行通信感知協(xié)同的功率控制和能耗優(yōu)化，降低設(shè)備功耗，節(jié)省能源及運(yùn)行成本；研究通信感知一體化的硬件架構(gòu)，解決高性能全雙工等帶來的干擾和設(shè)備電路等設(shè)計(jì)問題。