通信感知一體化應(yīng)用場景、關(guān)鍵技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

徐曉東，李巖，葉威，王飛，劉亮，胡南

（1.中國移動(dòng)通信有限公司研究院，中國移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司，北京 100053；2.北京華為數(shù)字技術(shù)有限公司，北京 100085）

0 引言

通信感知一體化設(shè)計(jì)思想早期出現(xiàn)于美國航空航天局，其將雷達(dá)和通信系統(tǒng)集成在一起，使之既用于航空器之間的雷達(dá)感知，也用于航空器與空間站之間的通信[1]。近年來，隨著無線通信技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源變得越來越擁擠，如何將通信功能和感知功能高度集成，共享頻譜資源、共用硬件模塊、復(fù)用電磁波信號(hào)等，以提升頻譜效率、降低設(shè)備成本和功耗、提升感知和通信系統(tǒng)性能等受到了越來越多的關(guān)注[2-7]。國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)針對(duì)通信感知一體化應(yīng)用場景和關(guān)鍵技術(shù)等開展了大量的研究。其中，通信感知一體化應(yīng)用場景主要集中于車聯(lián)網(wǎng)場景輔助自動(dòng)駕駛[8-10]和無人機(jī)場景輔助無人機(jī)路徑規(guī)劃及無人機(jī)監(jiān)管等[11]，通信感知一體化關(guān)鍵技術(shù)主要集中于一體化架構(gòu)[12-13]、波形設(shè)計(jì)[14-16]、干擾消除[17-18]和組網(wǎng)融合技術(shù)等[19]。但是當(dāng)前很多研究并未系統(tǒng)分析感知功能和通信功能深度融合對(duì)移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化的影響，也尚無基于第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G,5th Generation Mobile Communication Technology）通信系統(tǒng)開發(fā)的通信感知一體化樣機(jī)測試。本文以移動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，從通信感知一體化應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求、工作原理和模式、一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、空口關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性闡述，并基于交通場景和低空?qǐng)鼍暗能囕v感知和無人機(jī)感知測試結(jié)果，分析了通信感知一體化技術(shù)的應(yīng)用效果。

1 通信感知一體化應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求

傳統(tǒng)感知技術(shù)和通信技術(shù)具備不同的功能，二者獨(dú)立存在。傳統(tǒng)感知技術(shù)如雷達(dá)依賴發(fā)射電磁波并接收其回波，由此獲得目標(biāo)對(duì)象至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、方位、高度、移動(dòng)速度等信息。還有其他專用感知技術(shù)，比如利用紅外線以及輔助傳感器等獲取目標(biāo)對(duì)象或者周圍環(huán)境的信息，從而實(shí)現(xiàn)定位以及追蹤等目的。現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)也依賴電磁波實(shí)現(xiàn)基站和終端之間的信息傳遞。通信感知一體化研究的就是基于現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的電磁波信號(hào)來完成目標(biāo)對(duì)象感知的可行性和標(biāo)準(zhǔn)化路徑，比如通過空口及協(xié)議聯(lián)合設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)備共享，在相同頻譜資源實(shí)現(xiàn)通信功能與感知功能，使得無線網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的同時(shí)，還能通過分析無線通信信號(hào)的直射、反射、散射信號(hào)，獲得對(duì)目標(biāo)對(duì)象或環(huán)境信息的感知，完成定位、測距、測速、成像、檢測、識(shí)別、環(huán)境重構(gòu)等感知功能，提升頻譜利用率和設(shè)備復(fù)用率。這種一體化設(shè)計(jì)，一方面，借助于廣泛部署的蜂窩網(wǎng)絡(luò)降低感知硬件部署成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)無縫泛在的感知服務(wù)，借助于多個(gè)基站或多個(gè)終端進(jìn)行聯(lián)合感知提升感知精準(zhǔn)度和決策準(zhǔn)確性；另一方面，基于對(duì)無線通信信道環(huán)境的感知、識(shí)別與預(yù)測進(jìn)一步提升無線通信系統(tǒng)的性能，真正實(shí)現(xiàn)感知能力和通信能力的融合共生、互惠互利。

通信感知一體化應(yīng)用根據(jù)感知和通信的在協(xié)同過程中的角色不同，可分為通信輔助感知類應(yīng)用和感知輔助通信類應(yīng)用。通信輔助感知類應(yīng)用主要是基于移動(dòng)通信信號(hào)獲取定位類、虛擬環(huán)境重構(gòu)類等感知信息，如智慧交通場景和低空無人機(jī)場景等：

（1）在智慧交通場景中，通信感知一體化主要用于道路監(jiān)管、輔助自動(dòng)駕駛、獲取高清地圖等。首先，道路監(jiān)管是智慧交通重要的組成部分，是推動(dòng)交通領(lǐng)域智能化轉(zhuǎn)型的前提。雖然當(dāng)前公路周邊已經(jīng)安裝了相當(dāng)數(shù)量和不同功能的感知設(shè)備，如攝像機(jī)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等，但是傳統(tǒng)設(shè)備探測距離僅100～300 m，而基于通信與感知融合技術(shù)，使用新一代無線網(wǎng)絡(luò)的無線通信信號(hào)，感知范圍可以達(dá)到500 m，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低部署密度、低成本、低開銷的環(huán)境感知能力。其次，自動(dòng)駕駛集感知、決策和控制等功能于一體，是智慧交通場景的核心。傳統(tǒng)基于單車?yán)走_(dá)的感知技術(shù)被干擾概率大導(dǎo)致虛警漏警概率高，單車感知只能掌握瞬時(shí)感知信息導(dǎo)致誤檢概率大，而通信感知可通過干擾協(xié)同機(jī)制提高感知可靠性，并通過長時(shí)間的時(shí)域累積感知提升感知準(zhǔn)確度。此外，單車感知阻擋概率高、感知范圍小，而通信感知利用基站的高視角，擴(kuò)大感知范圍，彌補(bǔ)車載傳感器在惡劣環(huán)境下的感知缺陷和遮擋盲區(qū)，為自動(dòng)駕駛汽車安全運(yùn)行提供超視距輔助。最后，高精地圖是實(shí)現(xiàn)高階自動(dòng)駕駛的核心，能夠?yàn)樽詣?dòng)駕駛汽車提供車道級(jí)導(dǎo)航服務(wù)。高精地圖依賴于從激光雷達(dá)掃描、移動(dòng)攝像頭、連接傳感器和全球定位系統(tǒng)（GPS,Global Positioning System）設(shè)備收集信息，通過不間斷地對(duì)地圖信息進(jìn)行采集，并將采集的信息上傳至核心網(wǎng)，再通過空口發(fā)送給車輛，導(dǎo)致端到端傳輸時(shí)延大。而基于通信與感知融合技術(shù)，可以將感知結(jié)果在基站側(cè)處理后直接發(fā)送給車輛，無需通過核心網(wǎng)傳輸，滿足高精地圖實(shí)時(shí)傳輸?shù)牡蜁r(shí)延需求。

（2）在低空無人機(jī)場景中，通信感知一體化主要用于無人機(jī)監(jiān)管、路徑規(guī)劃和避障等。當(dāng)前很多無人機(jī)飛行并未嚴(yán)格遵守國家相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)致未經(jīng)許可闖入公共及敏感區(qū)域、意外墜落、影響客機(jī)正常起降、碰撞高層建筑等。雖然主流無人機(jī)廠商推出了電子圍欄功能，無人機(jī)接近不準(zhǔn)起飛的地帶會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，并無法操控進(jìn)入禁飛區(qū)域。但是除了機(jī)場附近得到了較嚴(yán)格的電子圍欄保護(hù)，類似軌道交通沿線、高鐵站、碼頭、重要賽事等重點(diǎn)區(qū)域，依然是一些電子圍欄的盲點(diǎn)。傳統(tǒng)基于雷達(dá)的感知存在雷達(dá)部署成本高、頻譜資源短缺、感知范圍受限等問題。基于通信與感知融合技術(shù)對(duì)低空無人機(jī)進(jìn)行感知定位和追蹤，可以實(shí)現(xiàn)廣域的電子圍欄，阻擋即將侵入特定區(qū)域的無人機(jī)。此外，利用基站的感知能力，還可以將周圍環(huán)境的感知結(jié)果提供給處理中心，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)路徑規(guī)劃和避障等。

感知輔助通信類應(yīng)用主要是基于感知信息提升通信系統(tǒng)性能，如輔助基站或終端波束調(diào)整、能耗調(diào)整，提升信道估計(jì)準(zhǔn)確性等：

（1）在當(dāng)前的無線通信系統(tǒng)中，廣播信道、控制信道、數(shù)據(jù)信道、參考信號(hào)等都采用基于波束的方式進(jìn)行發(fā)送和接收，為了保證基于波束傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和健壯性，基站和終端需要在傳輸過程中進(jìn)行相互的波束測量和確定，以確保使用正確的波束進(jìn)行控制和業(yè)務(wù)信道的傳輸。現(xiàn)有的波束訓(xùn)練和波束跟蹤方法需要基站頻繁發(fā)送訓(xùn)練序列并進(jìn)行測量反饋，空口時(shí)頻資源開銷過大，同時(shí)還具有時(shí)延較高、波束跟蹤時(shí)效性較差、難以及時(shí)與無線信道實(shí)時(shí)匹配等缺陷，進(jìn)而造成較高的波束失敗和通信中斷概率。基于感知技術(shù)獲取小區(qū)內(nèi)終端位置信息等可以縮小波束掃描范圍、縮短波束訓(xùn)練時(shí)間；基于感知技術(shù)獲取通信信道環(huán)境信息等可以進(jìn)行波束預(yù)測，降低波束測量反饋開銷并提升波束跟蹤時(shí)效性。此外，基于感知技術(shù)獲取小區(qū)內(nèi)空閑態(tài)終端個(gè)數(shù)等信息，一方面可以輔助基站側(cè)節(jié)能模式調(diào)整，另一方面使得終端無需進(jìn)入連接態(tài)就可以發(fā)送或接收感知參考信號(hào)，節(jié)省終端能耗。

（2）信道狀態(tài)信息（CSI,Channel State Information）反饋決定了通信系統(tǒng)傳輸性能，通過CSI 反饋可以獲知信道能夠承載的信息流數(shù)、信道的質(zhì)量或信噪比、信道預(yù)編碼矩陣等。當(dāng)前CSI 測量及反饋流程隨著天線數(shù)的增加，信道測量資源和CSI 反饋開銷隨之增加；隨著信道環(huán)境狀態(tài)信息的快速變化，CSI 反饋結(jié)果難以及時(shí)與無線信道實(shí)時(shí)匹配，將會(huì)嚴(yán)重影響信道傳輸質(zhì)量。基于感知技術(shù)可以獲取信道狀態(tài)信息，提升信道估計(jì)準(zhǔn)確性，同時(shí)可以獲取通信信道的環(huán)境信息，進(jìn)行信道狀態(tài)信息預(yù)測，降低信道測量和反饋開銷。

2 通信感知一體化工作原理和工作模式

傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)采用線性調(diào)頻（LFM,Linear Frequency Modulation）脈沖信號(hào)或調(diào)頻連續(xù)波（FMCW,Frequency Modulated Continuous Wave）信號(hào)，5G 通信系統(tǒng)采用正交頻分復(fù)用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）波形，二者信號(hào)波形和信號(hào)設(shè)計(jì)的不同導(dǎo)致感知信號(hào)處理算法不同[20]。但是傳統(tǒng)雷達(dá)和通信感知一體化都是通過對(duì)感知信號(hào)進(jìn)行處理，獲得目標(biāo)對(duì)象的距離、速度和角度等信息。針對(duì)距離、速度和角度中的任一維度的感知能力，通常從感知范圍、精度和分辨率三個(gè)指標(biāo)來衡量，其中感知范圍表征對(duì)應(yīng)感知維度的最大值和最小值，感知精度表征對(duì)應(yīng)感知維度估計(jì)值與真實(shí)值之間的誤差，感知分辨率表征區(qū)分的兩個(gè)鄰近目標(biāo)之間的最接近程度。

（1）距離感知：對(duì)于自發(fā)自收感知工作模式，測量發(fā)射波與目標(biāo)回波之間的時(shí)間延遲t，從而得到目標(biāo)與測量點(diǎn)之間的距離：R=ct/2，其中光速c=3×108m/s；對(duì)于A 發(fā)B收工作模式，測量發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)之間的時(shí)間延遲t以及根據(jù)接收信號(hào)到達(dá)角（AOA,Angle of Arrival）綜合確定感知目標(biāo)位置信息。雷達(dá)FMCW 信號(hào)和5G OFDM 信號(hào)都是通過對(duì)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)做時(shí)域相關(guān)運(yùn)算得到時(shí)延譜，進(jìn)而得到首達(dá)徑的時(shí)延t[6]。雷達(dá)LFM 信號(hào)利用其頻率隨時(shí)間變化的特征，通過測量發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)的頻率差獲得發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)之間的時(shí)間延遲t。

1）距離感知范圍：取決于發(fā)射端的發(fā)射功率、信號(hào)載頻和波形參數(shù)；

2）距離分辨率：對(duì)于雷達(dá)信號(hào)取決于信號(hào)帶寬，對(duì)于5G OFDM 信號(hào)取決于信號(hào)帶寬和采樣率；

3）距離精度：取決于信號(hào)帶寬、目標(biāo)的距離和雷達(dá)散射截面積（RCS,Radar Cross Section）。

（2）速度感知：利用目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，通過測量感知信號(hào)的多普勒頻率來推導(dǎo)目標(biāo)速度，其中多普勒頻率fd=v/λ，v為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，λ為信號(hào)波長。雷達(dá)FMCW 信號(hào)和5G OFDM 信號(hào)都是通過對(duì)時(shí)域多個(gè)接收時(shí)機(jī)的接收信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算得到多普勒譜，進(jìn)而得到最大多普勒頻偏[3]。雷達(dá)LFM 信號(hào)通過將發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)經(jīng)過混頻之后得到差拍信號(hào)，并通過傅里葉算法對(duì)差拍信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，消除距離和速度的耦合，進(jìn)而得到目標(biāo)速度信息。

1）速度范圍：最大無模糊速度取決于信號(hào)的發(fā)送周期，而最小感知速度取決于接收端相干處理時(shí)間；

2）速度分辨率：取決于相干處理時(shí)間等；

3）速度精度：取決于目標(biāo)的距離、RCS 和相干處理時(shí)間。

（3）角度感知：雷達(dá)系統(tǒng)和5G 通信系統(tǒng)都可以通過不同波束感知信號(hào)間的強(qiáng)度差異或多相位中心感知信號(hào)的相位差異測定目標(biāo)角度。

1）角度范圍：取決于天線面板的波束掃描范圍；

2）角度分辨率：取決于天線陣列的孔徑；

3）角度精度：取決于目標(biāo)的距離、RCS 和天線陣列的孔徑。

根據(jù)感知信號(hào)發(fā)送和接收方式的不同，廣義而言，如圖1 所示，可以將通信感知一體化工作模式分為基站自發(fā)自收、基站間協(xié)作感知、基站發(fā)終端收、終端發(fā)基站收、終端自發(fā)自收、終端間協(xié)作感知6 種工作模式。

圖1 通信感知一體化工作模式

1）基站自發(fā)自收工作模式與傳統(tǒng)雷達(dá)感知工作模式相似，基站發(fā)送無線通信信號(hào)，并通過無線通信信號(hào)的回波進(jìn)行測量感知。基站自發(fā)自收工作模式的主要挑戰(zhàn)是如何做到收發(fā)信號(hào)的隔離，例如通過獨(dú)立的收發(fā)天線實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收的硬件隔離。

2）基站間協(xié)作感知工作模式通過基站1 發(fā)送無線通信信號(hào)，基站2 進(jìn)行測量感知的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)或環(huán)境的感知。基站間協(xié)作感知工作模式能夠?qū)崟r(shí)適配感知目標(biāo)和環(huán)境的位置，尤其適用于高速公路或高鐵等高速移動(dòng)場景，為其提供接近全域覆蓋的感知服務(wù)。基站間協(xié)作感知工作模式的主要挑戰(zhàn)是基站間精準(zhǔn)同步，以及小區(qū)間上下行交叉時(shí)隙干擾消除等。

3）基站發(fā)終端收工作模式通過基站發(fā)送下行無線通信信號(hào)、終端進(jìn)行測量的方式進(jìn)行感知。

4）終端發(fā)基站收工作模式通過終端發(fā)送上行無線通信信號(hào)、基站進(jìn)行測量的方式進(jìn)行感知。

5）終端自發(fā)自收工作模式與基站自發(fā)自收工作模式類似，終端發(fā)送無線通信信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)的回波進(jìn)行測量感知。終端自發(fā)自收工作模式主要挑戰(zhàn)是終端發(fā)送功率較低、天線數(shù)較少，導(dǎo)致終端感知范圍和感知精度性能受限。

6）終端間協(xié)作感知工作模式通過終端1 發(fā)送無線通信信號(hào)，終端2 進(jìn)行測量感知。終端間協(xié)作感知工作模式多用于室內(nèi)局域場景，考慮到室內(nèi)場景傳播環(huán)境復(fù)雜，基站感知直射徑較少，感知性能受到嚴(yán)重影響。同時(shí)隨著智能設(shè)備的發(fā)展，室內(nèi)場景智能化終端設(shè)備數(shù)目和種類越來越多，終端間協(xié)作感知將有效提升室內(nèi)環(huán)境的感知性能和效率。終端間協(xié)作感知工作模式主要挑戰(zhàn)是如何借助于直連鏈路通信的信號(hào)實(shí)現(xiàn)測量感知功能。

3 通信感知一體化空口關(guān)鍵技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

針對(duì)上述6 種通信感知一體化工作模式，本文以基站自發(fā)自收工作模式為主，介紹通信感知一體化空口關(guān)鍵技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。從目前研究結(jié)果看，5G 通信系統(tǒng)采用OFDM 波形，高頻26 GHz 帶寬400 MHz，發(fā)射功率2 W/400 MHz，疊加波束增益和天線增益后等效全向輻射功率（EIRP,Equivalent Isotropically Radiated Power）達(dá)到62 dBm/400 MHz。從目前測試結(jié)果看，基于5G OFDM 波形的通信感知一體化樣機(jī)，高頻26 GHz 帶寬100 MHz，全帶寬發(fā)射功率2 W/100 MHz，疊加波束增益和天線增益后EIRP 達(dá)到62 dBm/100 MHz，感知距離500 m 左右。考慮波形研究的成熟度和硬件集成的復(fù)雜度，通信感知一體化優(yōu)先考慮以O(shè)FDM 波形為主體的感知波形設(shè)計(jì)。此外，通信感知一體化通過軟硬件設(shè)備共享，在相同頻譜資源發(fā)送感知信號(hào)和通信信號(hào)，二者一種復(fù)用方式是感知信號(hào)和通信信號(hào)通過時(shí)分/ 頻分/ 碼分的方式實(shí)現(xiàn)彼此正交的傳輸，降低通信信號(hào)和感知信號(hào)之間的干擾，另一種方式是復(fù)用通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)感知功能，最大化資源利用率。感知信號(hào)設(shè)計(jì)方面。為了滿足感知信號(hào)距離、速度、角度等感知參數(shù)精度要求，感知信號(hào)設(shè)計(jì)可以在5G 系統(tǒng)的下行信道狀態(tài)信息參考信號(hào)和跟蹤參考信號(hào)等基礎(chǔ)上進(jìn)行增強(qiáng)。如圖2 所示，為了提升距離估計(jì)精度，通過頻域稀疏性設(shè)計(jì)使得感知信號(hào)占用更大帶寬的同時(shí)節(jié)省資源開銷；為了提升速度估計(jì)精度，感知信號(hào)在時(shí)域進(jìn)行重復(fù)傳輸，提升多普勒估計(jì)準(zhǔn)確性；為了提升角度估計(jì)精度，通過窄波束掃描的方式發(fā)送感知信號(hào)，同時(shí)還能最大化感知信號(hào)鏈路質(zhì)量，最小化感知信號(hào)與其他信號(hào)之間的干擾。

圖2 感知信號(hào)設(shè)計(jì)

通信感知一體化包括感知數(shù)據(jù)收集處理及感知控制等基本功能。基站側(cè)在收集到感知相關(guān)數(shù)據(jù)后，需要把收集到的感知相關(guān)數(shù)據(jù)上報(bào)給感知控制功能單元；感知控制功能單元基于對(duì)感知相關(guān)數(shù)據(jù)的處理和分析，生成對(duì)應(yīng)的策略或控制信息，并通過接口消息的方式交由相關(guān)的節(jié)點(diǎn)或功能執(zhí)行相應(yīng)的策略或控制。值得一提的是，根據(jù)感知功能應(yīng)用的不同目的，感知功能生成的策略或控制的執(zhí)行主體可以是核心網(wǎng)功能，也可以是接入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；相應(yīng)地，通信感知功能應(yīng)用的目的不同，感知功能在邏輯上的位置可以在核心網(wǎng)，也可以在接入網(wǎng)。目前產(chǎn)業(yè)界比較普遍的一種看法是仍然沿用現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu)，把感知功能作為核心網(wǎng)的一個(gè)功能，且存在與其他核心網(wǎng)功能潛在的接口交互；然而，考慮到感知的對(duì)象很多都是非合作對(duì)象，即對(duì)象被感知是在非主動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)的，這時(shí)這些對(duì)象在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)本身就不存在與感知業(yè)務(wù)相關(guān)的身份信息，自然感知對(duì)象的反射數(shù)據(jù)是在基站側(cè)還是在核心網(wǎng)側(cè)進(jìn)行分流處理并沒有本質(zhì)區(qū)別，尤其當(dāng)應(yīng)用目的（如波束調(diào)整和動(dòng)態(tài)調(diào)度等）僅涉及到接入網(wǎng)相關(guān)功能，因此在這種情況下感知功能在邏輯上屬于接入網(wǎng)是一種更合理的架構(gòu)方式。本文將摘要探討相關(guān)的本地通信感知一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)潛在方案（即感知功能邏輯上屬于接入網(wǎng)的方案），以期使能感知功能應(yīng)用于波束調(diào)整與動(dòng)態(tài)資源調(diào)度等，進(jìn)一步拓展通信感知一體化的應(yīng)用范疇。

（1）本地分布式架構(gòu)，如圖3（a）所示，感知功能邏輯上屬于接入網(wǎng)，并進(jìn)一步在邏輯上屬于基站內(nèi)部的一個(gè)功能，感知功能可以通過N2 接口與5GC 交互。該架構(gòu)可以通過接入網(wǎng)感知功能輔助RAN 側(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)空口的動(dòng)態(tài)控制，可以滿足感知功能的實(shí)時(shí)性要求，并且不需要引入新的開放接口，架構(gòu)簡單、傳輸節(jié)點(diǎn)少、易部署，但應(yīng)用場景比較有限，僅對(duì)單站級(jí)別的感知控制功能提供比較好的適配性，并且需要進(jìn)一步探究如何實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)功能。

（2）本地集中式架構(gòu)，如圖3（b）所示，感知功能邏輯上屬于接入網(wǎng)，但是屬于獨(dú)立于基站之外的一個(gè)單獨(dú)節(jié)點(diǎn)或?qū)嶓w。該架構(gòu)可以通過接入網(wǎng)感知功能輔助RAN側(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)空口的動(dòng)態(tài)控制，可以滿足感知功能的實(shí)時(shí)性要求，傳輸節(jié)點(diǎn)少，通過引入新的開放接口（Itf）來實(shí)現(xiàn)多站協(xié)同的感知功能控制，并且也可以適配單站級(jí)別的感知控制功能，較本地分布式架構(gòu)方案的應(yīng)用場景得到了一定擴(kuò)展，但是需要進(jìn)一步探究如何實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)功能。

（3）綜合式架構(gòu)，如圖3（c）所示，感知功能在邏輯上進(jìn)行了進(jìn)一步劃分，一部分感知功能屬于接入網(wǎng)，另一部分感知功能屬于核心網(wǎng)，其中屬于接入網(wǎng)的感知功能主要實(shí)現(xiàn)對(duì)空口的動(dòng)態(tài)控制，而屬于核心網(wǎng)的感知功能主要實(shí)現(xiàn)那些對(duì)實(shí)時(shí)要求性不高的功能。另外屬于接入網(wǎng)的感知功能基于不同的感知應(yīng)用場景可以采用本地分布式架構(gòu)或者本地集中式架構(gòu)。本方案獨(dú)立于現(xiàn)有核心網(wǎng)AMF 來進(jìn)行兩層感知功能之間的交互，并且可以根據(jù)不同的感知應(yīng)用場景來進(jìn)行不同的感知信令配置及感知數(shù)據(jù)收集，最大限度地?cái)U(kuò)展了通信感知一體化的應(yīng)用范疇，但是引入了多個(gè)開放接口，并且需要根據(jù)場景逐一考慮感知功能的邏輯劃分，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化工作提出了更高的要求和更多的挑戰(zhàn)。

圖3 通信感知一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 通信感知一體化測試驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于5G 通信系統(tǒng)的通信感知一體化技術(shù)所能達(dá)到的感知能力，分別在交通場景和低空?qǐng)鼍皩?duì)車輛感知和無人機(jī)感知進(jìn)行了測試驗(yàn)證。測試驗(yàn)證中使用的通信感知一體化設(shè)備包括三部分：5G 基站設(shè)備、感知處理服務(wù)器和顯示服務(wù)器，如圖4 所示。其中，5G 基站設(shè)備完成感知信號(hào)的發(fā)送與接收功能，感知處理器用于感知信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理和軌跡生成，顯示端用于目標(biāo)位置的實(shí)時(shí)顯示和目標(biāo)軌跡的存儲(chǔ)。

圖4 通信感知一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

5G 基站設(shè)備的參數(shù)配置如表1 所示：

表1 5G基站參數(shù)配置

（1）車輛感知測試

在本測試?yán)校?G 基站設(shè)備安裝于道路中心位置，離地面高度約6 m，天線法向方向與道路方向平行。被測試車輛在距離5G 基站設(shè)備50 m 處，遠(yuǎn)離基站方向直線行駛，并且以30 km/h 定速巡航模式行駛，此過程中記錄感知到車輛的距離、位置和速度。

圖5 中給出了通過5G 基站設(shè)備感知到的車輛的軌跡與實(shí)際行駛軌跡的對(duì)比，其中，紅色點(diǎn)跡為不同時(shí)間感知到車輛位置的結(jié)果，藍(lán)色直線為車輛實(shí)際的行駛軌跡。可以看出，當(dāng)被測車輛行駛與基站距離達(dá)520 m 處時(shí)仍能被探測到，且軌跡連續(xù)無缺失。進(jìn)一步地，基于每個(gè)點(diǎn)位被感知的切向位置與真實(shí)位置的距離差換算成角度誤差，相應(yīng)的CDF 如圖6 所示。可以看出，被測車輛的角度精度有90%的概率小于0.2°。此外，圖7 中給出了整個(gè)行駛過程中所有時(shí)刻被感知的速度值與定速巡航30 km/h 的誤差的統(tǒng)計(jì)CDF 結(jié)果，可以看出，被測車輛的速度誤差的中位值小于0.1 km/h。

圖5 車輛感知軌跡與實(shí)際軌跡圖

圖6 車輛感知的角度誤差CDF

圖7 車輛感知的速度誤差CDF

（2）無人機(jī)感知測試

在本測試?yán)校?G 基站設(shè)備安裝于建筑物樓頂，離地面高度約25 m，天線的法線方向與地面平行。被測試無人機(jī)為RCS 典型值為0.01 m2的小型無人機(jī)，該無人機(jī)在天線法線方向水平+/-60°的范圍內(nèi)，且距離基站設(shè)備100 m 處起飛，升至30 m 高度后，沿預(yù)設(shè)路徑飛行，此過程中記錄感知到無人機(jī)的距離和位置。

圖8 中給出了通過5G 基站設(shè)備感知到的無人機(jī)的軌跡與預(yù)設(shè)行駛軌跡的對(duì)比，其中，圖8（a）中是無人機(jī)預(yù)設(shè)飛行軌跡，圖8（b）為不同時(shí)刻感知到無人機(jī)位置的結(jié)果圖線。可以看出，無人機(jī)被探測到的軌跡與其預(yù)設(shè)飛行軌跡的形狀較為吻合，且軌跡也具備較高的完整度。此外，當(dāng)被測無人機(jī)飛行至與基站距離達(dá)500 m 外的位置時(shí)，也仍然能被基站感知到。

圖8 無人機(jī)預(yù)設(shè)軌跡與感知軌跡對(duì)比

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，5G 通信感知一體化技術(shù)能夠?qū)囕v和無人機(jī)等移動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)高精度的感知，感知距離超過500 m，角度精度達(dá)0.2°，速度精度小于0.1 km/h。

5 結(jié)束語

通信感知一體化設(shè)計(jì)一方面借助于廣泛部署的蜂窩網(wǎng)絡(luò)在降低感知硬件部署成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)無縫泛在的感知服務(wù)，借助于多個(gè)基站或多個(gè)終端進(jìn)行聯(lián)合感知提升感知精準(zhǔn)度和決策準(zhǔn)確性；另一方面，基于對(duì)無線通信信道環(huán)境的感知、識(shí)別與預(yù)測，進(jìn)一步提升無線通信系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)感知能力和通信能力的融合共生、互惠互利。盡管通信感知一體化技術(shù)應(yīng)用前景很大，但由于信號(hào)格式以及它們之間的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固有差異，仍有許多挑戰(zhàn)和開放的研究問題需要解決（本項(xiàng)目受東南大學(xué)-中國移動(dòng)研究院聯(lián)合創(chuàng)新中心資助）。