6G通感一體化組網(wǎng)融合技術(shù)*

劉家祥，蔣崢，孫震強，田文莎

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

未來6G 網(wǎng)絡(luò)旨在為用戶提供更加豐富的業(yè)務(wù)體驗，不僅滿足大帶寬低時延的數(shù)據(jù)傳輸，還希望通過通信和感知的融合進一步提供與感知相關(guān)的服務(wù)。通感一體化作為6G 新系統(tǒng)自身賦能、提質(zhì)增效的重要利器，將會成為未來6G 系統(tǒng)的重要組成部分[1]。在5G 以前，通信和感知的發(fā)展進程是相對獨立的，在感知業(yè)務(wù)需求的激進和通信向著2B 發(fā)展的總體趨勢下，需要考慮通信和感知的差異性和共同性，打造極簡、高效、易部署的6G 通感融合設(shè)備和組網(wǎng)模式[2]。因此，標(biāo)準(zhǔn)組織和產(chǎn)業(yè)界對通感融合進行了大量的研究。

1 通感一體化現(xiàn)狀

1.1 標(biāo)準(zhǔn)組織研究

R16 中開始研究基于NR 的定位技術(shù)，標(biāo)志著3GPP對感知開始了初步的標(biāo)準(zhǔn)化研究，但NR 的定位主要用于對通信設(shè)備的定位，且定位業(yè)務(wù)只是感知業(yè)務(wù)中的一個分支，因此需針對不同通感融合場景進行增強設(shè)計，要進一步確定技術(shù)框架和關(guān)鍵技術(shù)，最終形成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

目前通信感知融合技術(shù)處于預(yù)研階段，對于RAN 側(cè)，聯(lián)想在RP #93e 上提出，R17 中的UE 定位不支持檢測和跟蹤對象，而無線電傳感可以獲取環(huán)境知識以確定物體的存在，并能夠解決波束阻塞問題，可以在R18 的URLLC場景中引入感知[3]；小米在RP #94e 上提出，隨著智能汽車、手機、機器人和智能報警器等設(shè)備的增加，設(shè)備對環(huán)境檢測的需求日益增長，無線傳感的市場將更加廣闊，并分析了可以根據(jù)感知信號的時間、相位或振幅的變化來感知距離信息，需要大規(guī)模MIMO、更高的頻段、更寬的帶寬、靈活的上下行配置等NR 技術(shù)為無線傳感鋪平道路，同時用于數(shù)據(jù)通信目的的射頻模塊可重復(fù)用于無線傳感，在R18 中研究無線傳感技術(shù)將為用戶提供更好的服務(wù)質(zhì)量；中國電信在RP #95e 上提出，在R18 的研究中應(yīng)該以現(xiàn)有的5G 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將網(wǎng)絡(luò)的能力從“聽和說”擴展到“看和感覺”，創(chuàng)造一種增強人類智能的數(shù)字感知，提出確定典型感知用例及其相關(guān)KPI、研究通信和感知復(fù)用傳輸模式、研究在現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上通信和感知融合的方法等目標(biāo)[4]。

對于SA 側(cè)，中國移動等在SA1#97 上提出針對不同垂直應(yīng)用的通信感知融合服務(wù)場景，研究增強5G 系統(tǒng)的用例和潛在要求，確定感知相關(guān)的性能要求，研究與安全、隱私、監(jiān)管要求和收費相關(guān)方面內(nèi)容[5]；在SA2#146e 上，小米公司提出感知在智能家居、智慧城市、智能交通、智能零售和工業(yè)4.0 等垂直領(lǐng)域也越來越受歡迎[6]；華為公司等提出無人機應(yīng)用、遠(yuǎn)程控制、無人機交通管理等需要通信和感知融合，分析現(xiàn)有5GS 架構(gòu)和支持感知架構(gòu)間的功能差距，研究支持感知服務(wù)所需的E2E 架構(gòu)增強功能[7]；vivo 闡述了不同場景下所需的感知內(nèi)容，并提出支持基于感知的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和相關(guān)用例[8]，研究基于BS 回波檢測和基于Uu 接口的感知、基于現(xiàn)有上下行參考信號的Uu 感知服務(wù)等內(nèi)容[9]。

1.2 產(chǎn)業(yè)推進

在產(chǎn)業(yè)界方面，2018 年GlobeCom 大會上首次提出通感一體化技術(shù)研究[10]，國內(nèi)多家公司和相關(guān)通信機構(gòu)在6G 預(yù)研白皮書中也提到將通感一體化作為重要研究方向。2021 年4 月，第一屆6G 通信感知一體化學(xué)術(shù)研討會在成都成功召開，提出“通信感知一體化，開啟無線新未來”目標(biāo)；同時，中國移動研究院和華為公司聯(lián)合主辦的通信感知一體化行業(yè)應(yīng)用研討會在北京召開，各個運營商、設(shè)備商、終端商等產(chǎn)業(yè)代表分析5G 網(wǎng)絡(luò)演進現(xiàn)狀，并展望6G 中通信感知融合的機遇和發(fā)展。2021 年9月，IMT-2030(6G) 推進組發(fā)布“通信感知一體化技術(shù)研究報告”，對通感一體化的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行總結(jié)，闡述相關(guān)應(yīng)用場景、基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)等，展望解決商用之前面臨的多方面挑戰(zhàn)[11]；2022 年1 月，IMT-2020(5G) 推進組完成全球首個面向5G-Advanced 通信感知一體測試驗證，通感一體對相關(guān)行業(yè)突破發(fā)展瓶頸帶來了全新的可能。與此同時，中國通信學(xué)會也于2022 年1 月發(fā)布“通感算一體化網(wǎng)絡(luò)前沿報告”白皮書[12]，分析通感一體化的典型應(yīng)用場景和性能評價指標(biāo)體系，闡述了通信感知融合的關(guān)鍵技術(shù)，希望加快相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，推進通信感知融合在各行業(yè)走向規(guī)模商用。

通感一體化產(chǎn)業(yè)推進圖如圖1 所示。

圖1 通感一體化產(chǎn)業(yè)推進圖

2 通感一體化組網(wǎng)

通感一體化組網(wǎng)可以充分利用移動通信的宏微基站資源，既降低了通感一體化的成本，又實現(xiàn)了感知的組網(wǎng)能力。宏微基站的協(xié)同感知存在多種方式，可以合理選擇感知站點，并將感知數(shù)據(jù)進行共享，也可以通過多點同時感知，對感知數(shù)據(jù)進行相互補充或合并。靈活的協(xié)同感知方式提升了網(wǎng)絡(luò)面向不同感知需求的服務(wù)能力。除此之外，為了提高協(xié)同感知的頻譜效率，通感資源共享機制能夠很好地避免二者的碰撞，保障通信和感知的性能。

2.1 宏微基站協(xié)同感知

宏微基站組網(wǎng)作為移動通信的基本組網(wǎng)方式，其設(shè)計初衷是為了實現(xiàn)通信覆蓋和容量的平衡。其中宏基站負(fù)責(zé)廣域的信號覆蓋和移動性保障，而微基站在熱點地區(qū)提供超高容量數(shù)據(jù)服務(wù)。因此，二者的共存將是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所面臨的常態(tài)。隨著將感知功能集成到移動通信系統(tǒng)，宏微基站間的協(xié)同優(yōu)勢可以進一步放大：感知從點對點的鏈路能力擴展到多點協(xié)同的組網(wǎng)能力，網(wǎng)絡(luò)能力也從單一傳統(tǒng)通信維度擴展到通信感知相結(jié)合的雙重維度[12]。

考慮到感知環(huán)境、感知業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞榷嘀匾蛩?，宏微基站協(xié)同感知的具體形式也會有所不同?？煞譃橐韵氯箢愋停?/p>

（1）單站感知、數(shù)據(jù)共享

在移動通信中存在大量接口，基站間通過Xn 接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，基站和核心網(wǎng)之間通過NG 接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。在單站就可以滿足感知業(yè)務(wù)需求的情況下，采用單點感知，數(shù)據(jù)共享的方式無疑是最佳的感知方式。其優(yōu)勢在于可以避免對同一感知目標(biāo)的重復(fù)感知，節(jié)約了寶貴的空口資源；并且可以避免感知信號間的相互干擾，提升感知結(jié)果的準(zhǔn)確性。如圖2 所示，在接入網(wǎng)選擇最適合進行感知任務(wù)的宏基站或微基站發(fā)送感知信號，感知數(shù)據(jù)由該基站共享給其他需要的基站。如果基站間存在Xn接口，感知數(shù)據(jù)可以直接通過Xn 接口進行共享；如果基站間不存在Xn 接口，需要先將感知數(shù)據(jù)通過NG 接口傳輸給核心網(wǎng)，并借助核心網(wǎng)分發(fā)至其他基站。

圖2 單站感知，數(shù)據(jù)共享示意圖

（2）多站感知、數(shù)據(jù)互補

面對復(fù)雜繁多的感知任務(wù)，單站的感知能力往往難以滿足要求。因此，有必要引入多站間的感知協(xié)同實現(xiàn)不同類型、不同位置、不同能力基站間的優(yōu)勢互補。如圖3所示，針對同一個感知目標(biāo)有多個指標(biāo)需要探測，可以根據(jù)宏微基站的特點將不同的感知指標(biāo)分配給不同基站進行測量：宏基站具有大功率、覆蓋廣的特點，宏觀的指標(biāo)適合由宏基站來進行感知，但由于宏基站架設(shè)位置較高，與感知目標(biāo)的距離較大，感知的精度相對有限；微基站功率較小，感知范圍受限，但是由于其距離感知目標(biāo)更近，感知結(jié)果更加精確，因此適合將微觀指標(biāo)分配給微基站進行感知。通過宏基站和微基站的協(xié)同感知和數(shù)據(jù)上的相互補充，可以對感知目標(biāo)得到一個全方位的感知結(jié)果，既能滿足在廣域宏觀指標(biāo)的探測，又可以滿足微觀高精度指標(biāo)的探測。

圖3 多站感知、數(shù)據(jù)互補示意圖

（3）多站感知、數(shù)據(jù)合并

除了感知數(shù)據(jù)的互補，多站協(xié)同也可以針對相同的感知指標(biāo)來實現(xiàn)進行感知，并對感知數(shù)據(jù)進行合并處理，以達(dá)到更高的感知性能。如圖4 所示，針對同一感知目標(biāo)的同一個感知指標(biāo)基站A 和基站B 的感知精度都無法滿足感知任務(wù)需求，但是通過將各自感知數(shù)據(jù)上傳至核心網(wǎng)進行合并處理，能夠?qū)崿F(xiàn)感知精度的進一步提升。該感知方式體現(xiàn)了組網(wǎng)感知能力可以在不升級硬件的情況下，通過基站間的協(xié)作進一步提升感知性能，充分利用現(xiàn)網(wǎng)硬件資源的同時，滿足了高質(zhì)量的感知服務(wù)需求。

圖4 多站感知、數(shù)據(jù)合并示意圖

需要指出的是，以上三種類型的宏微基站協(xié)同感知都需要合理地感知節(jié)點選擇才能達(dá)到最優(yōu)的感知效果。感知節(jié)點的選擇一般考慮以下幾點因素：

1）盡量繞開感知節(jié)點和感知目標(biāo)間的遮擋物；

2）采用較低發(fā)射功率以減少網(wǎng)絡(luò)功耗；

3）在感知精度相同的情況下，減少參與協(xié)同感知的節(jié)點數(shù)量。

由于網(wǎng)絡(luò)側(cè)存在大量的計算資源，可以為人工智能算法提供算力支持，利用人工智能和機器學(xué)習(xí)算法對網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點進行智能化選擇，能夠減少網(wǎng)絡(luò)的運營成本，實現(xiàn)多點協(xié)同感知的自動化。

2.2 通感資源協(xié)同共享

在通信感知融合的場景下，海量設(shè)備的接入將會對現(xiàn)有資源的使用造成沖擊，合理分配和使用通信資源和感知資源顯得尤為重要，傳統(tǒng)的復(fù)用技術(shù)可以應(yīng)用，如時分復(fù)用技術(shù)可以根據(jù)不同需求分配通信時間和感知時間；頻分復(fù)用可以根據(jù)不同需求分配通信和感知占用頻段資源；空分復(fù)用根據(jù)不同需求調(diào)整空間波束資源；碼分復(fù)用可以根據(jù)不同的正交碼，在使用相同時頻空資源下提高資源利用率；但在頻譜資源一定的條件下，僅僅通過現(xiàn)有的復(fù)用不能滿足通感一體化場景下的海量節(jié)點連接，此時需要考慮引入通感資源協(xié)同共享機制，提高頻譜資源的利用率。

在通感共享頻段，為實現(xiàn)資源合理分配和干擾協(xié)調(diào)，考慮使用類似于Wi-Fi 的CSMA/CA 機制，采用“先聽后說”的信道檢測機制[13]，在進行通信或感知之前，首先進行初始信道檢測，若信道檢測空閑，則進行后續(xù)的通信或感知；若信道檢測繁忙，則進入拓展信道檢測過程，在0到該設(shè)備信道接入優(yōu)先級確定的退避窗口最大值的區(qū)間內(nèi)，隨機選擇退避計數(shù)值，再次嘗試接入信道，若信道檢測空閑，退避計數(shù)器減1，直至計數(shù)器為0 時才成功接入信道進行通信或感知，若退避時信道檢測失敗，則凍結(jié)計數(shù)器，直至信道檢測空閑再開始倒計減1。圖5 中紅車和藍(lán)車共享相同頻段資源，因為紅車在占用該頻段資源發(fā)送感知信號，所以藍(lán)車此時的初始信道檢測失敗，并進入拓展退避過程，直到退避指數(shù)為0 時信道空閑，則接入該信道進行通信，隨后紅車再次接入信道時，由于藍(lán)車占用該頻段資源進行通信，所以紅車進行退避。為了保證不同設(shè)備接入信道的公平性，需采用非連續(xù)傳輸機制，即設(shè)備接入信道后占用信道的時間有限，根據(jù)設(shè)備的信道接入優(yōu)先級定義該設(shè)備可選擇的最大退避數(shù)和接入信道后的最大占用時間[14]。這種機制不僅可以應(yīng)用于通信設(shè)備之間的協(xié)調(diào)，同時還可應(yīng)用于感知設(shè)備之間的協(xié)調(diào)、通信設(shè)備和感知設(shè)備之間的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)現(xiàn)有資源的合理分配。

圖5 通信感知資源共享示意圖

3 感知服務(wù)與QoS

隨著網(wǎng)絡(luò)具備感知能力，其提供的業(yè)務(wù)范圍也將極大拓寬。網(wǎng)絡(luò)不僅可以提供通信業(yè)務(wù)，還可以提供針對不同場景的感知業(yè)務(wù)，如道路流量檢測、高精度地圖構(gòu)建和無人機探測與監(jiān)管等。如何保證感知類業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)需求是驗證通感一體化組網(wǎng)性能的最終體現(xiàn)。在移動通信中，采用QoS 模型來描述和保障通信業(yè)務(wù)需求，其中QoS 流作為PDU 會話中區(qū)分不同QoS 的基本單位，分為兩大類：保障比特速率的QoS 流和不保障比特速率的QoS 流。每個QoS流都具有特定的標(biāo)識，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)標(biāo)識對QoS 流執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、資源映射等策略，最終實現(xiàn)QoS 的指標(biāo)要求[15]。

在6G 通感一體化組網(wǎng)的架構(gòu)下，傳統(tǒng)的QoS 模型需要拓展到感知業(yè)務(wù)，提供通感一體化的QoS 保障能力。如圖6 所示，除了通信QoS 流，還需要引入感知QoS 流以滿足感知業(yè)務(wù)的指標(biāo)要求。感知QoS 流作為區(qū)分感知業(yè)務(wù)的最小粒度，和通信QoS 流一起組成PDU 會話。如果無線承載資源可以復(fù)用，通信QoS 流和感知QoS 流可映射到相同的無線承載資源，如圖6 中通信QoS 流1 和感知QoS 流1 所示，該方式能夠提高無線資源的頻譜效率，但需要避免通信和感知QoS 流間的相互干擾。感知QoS流也可以單獨占用無線承載資源，如圖6 中感知QoS 流2 所示，此方式可以為感知業(yè)務(wù)提供更好的資源保障，實現(xiàn)更加靈活的感知業(yè)務(wù)調(diào)度策略。

圖6 感知QoS模型

相對于通信QoS 主要關(guān)注數(shù)據(jù)速率和時延兩方面指標(biāo)[16]，感知QoS 涉及的類型會更加豐富，例如運動物體的距離/ 速度/ 角度、人體的呼吸和心率、大氣濕度和降雨量等。綜合來看，無論何種感知類型，精度、分辨率和感知時延是3 個相對普遍的感知指標(biāo)，可以對這3 個指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化。除此之外，針對不同業(yè)務(wù)還涉及刷新率、目標(biāo)檢測率、目標(biāo)虛警率、感知范圍等特殊指標(biāo)，這類指標(biāo)可以放到擴展字段進行表征。

4 未來挑戰(zhàn)

近兩年來，通感一體化在學(xué)術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)迅速開展研究，具體研究內(nèi)容體現(xiàn)在通感一體化網(wǎng)絡(luò)典型應(yīng)用場景、性能評價指標(biāo)體系、一體化空口設(shè)計等，但目前通信感知融合技術(shù)處于預(yù)研階段，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究還處于萌芽狀態(tài)，需要在理論、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)驗證等方面繼續(xù)研究，具體面臨的挑戰(zhàn)包括：

（1）理論基礎(chǔ)：目前現(xiàn)有的通信理論和感知理論還未融合，包括通信和感知各自的性能指標(biāo)、通信波形、感知波形等，現(xiàn)有的通信指標(biāo)和感知指標(biāo)間相互作用的原理沒有理論支撐[17]，需要結(jié)合最新的傳輸理論設(shè)計通感一體化場景下傳輸過程中的信道模型，對信號發(fā)射接收涉及到的天線、信道帶寬、時頻資源等理論分析，建立一體化的性能指標(biāo)等理論體系。

（2）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和傳輸協(xié)議：原來的系統(tǒng)架構(gòu)和傳輸協(xié)議已不能再使用，需要設(shè)計可用于通信和感知協(xié)同傳輸?shù)男孪到y(tǒng)架構(gòu)和傳輸協(xié)議，對于不同設(shè)備間的資源如何高效分配、如何協(xié)調(diào)獲取的感知信息等資源優(yōu)化和分配問題需要研究。處于同一覆蓋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備產(chǎn)生的感知數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性需要研究[18]，強大的數(shù)據(jù)驅(qū)動AI 算法不僅為無線通信提供了新的機會，也為通感一體化技術(shù)提供了新的機會。在數(shù)據(jù)豐富、復(fù)雜的應(yīng)用場景中，特別是對于室內(nèi)和城市室外信道條件較差的情況下，存在大量的多模態(tài)、間接和噪聲觀測，以及系統(tǒng)非線性信號特性的物理特性可能難以建模[19]，僅靠傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和信號處理技術(shù)無法解決此類復(fù)雜的應(yīng)用場景中的通信和傳感問題。在這種情況下，利用人工智能方法對系統(tǒng)行為進行建模，有望解決復(fù)雜的通信/ 感知信道、周圍環(huán)境的不確定性。基于AI 模型，結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動和模型驅(qū)動方法的優(yōu)勢，設(shè)計出更高效、更魯棒的通感一體化系統(tǒng)，考慮如何利用AI 解決通感資源分配和感知信息相關(guān)提取問題。

（3）太赫茲通感：通感一體化將在物理世界和網(wǎng)絡(luò)世界的融合中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，對更高頻段、更大帶寬和更先進的大型天線技術(shù)有著更高的要求。未來的毫米波通信和毫米波雷達(dá)將使用20—300 GHz，太赫茲將使用0.1—10 THz，太赫茲的研究不僅可以實現(xiàn)Tbps數(shù)據(jù)速率傳輸，同時促進傳感在增強人類感官、姿勢識別、工業(yè)定位等方面的實用意義，開啟了在移動通信設(shè)備上具有較高分辨率傳感和成像能力的可能性，通過構(gòu)建具有毫米級成像分辨率的太赫茲傳感原型[20]，驗證利用太赫茲通信信號實現(xiàn)毫米級傳感分辨率的可行性。目前太赫茲通感技術(shù)面臨著多種感知信息處理融合、通感系統(tǒng)能耗問題等挑戰(zhàn)。

（4）硬件實施：通感一體化硬件實體需要設(shè)備支持通信和感知功能，不能簡單地將感知模塊引入到基站，同時需要高速率的通信和高精度的感知，這對于設(shè)備尺寸、天線尺寸、實現(xiàn)的成本、功耗等有一定挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

通感一體化作為未來6G 系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，將為用戶提供更加豐富的業(yè)務(wù)體驗。本文分析了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)鏈進展，重點研究了通感一體化組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，首先利用移動通信網(wǎng)絡(luò)廣泛部署的站點資源，提出了宏微基站協(xié)同感知組網(wǎng)，并且結(jié)合感知數(shù)據(jù)的共享，互補和合并提出了具體的協(xié)同感知方案，極大提高了感知性能和靈活性。同時，為了提高協(xié)同感知的頻譜效率，設(shè)計通感資源協(xié)同共享機制，有效避免二者傳輸資源間的碰撞。除此之外，面向未來感知類業(yè)務(wù)將原有QoS 機制進行拓展，提出并定義感知QoS 概念，從網(wǎng)絡(luò)角度研究感知QoS 保障機制。最后分析了通感一體化未來面臨的挑戰(zhàn)，并為未來研究提供了方向。