面向6G 通信的感知一體化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊興全

（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150000）

0 引言

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)5G 通信的要求已經(jīng)越來越高。6G 通信技術(shù)將成為下一代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展方向，具有更高的帶寬、更快的數(shù)據(jù)傳輸速度、更高的可靠性和更低的延遲等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于6G 通信技術(shù)面臨著新的技術(shù)挑戰(zhàn)，如信號(hào)穿透能力、設(shè)備功耗等問題，因此需要?jiǎng)?chuàng)新性地引入新的技術(shù)手段來解決這些問題。在這種情況下，感知一體化系統(tǒng)成了一個(gè)有效的解決方案。本文旨在探討面向6G 通信的感知一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，綜合應(yīng)用感知技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知和分析，并通過決策優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置。相信本研究成果將為6G 通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持和指導(dǎo)。

1 感知一體化系統(tǒng)概述

■1.1 感知一體化系統(tǒng)概念

感知一體化系統(tǒng)是指通過對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知和分析，綜合運(yùn)用決策優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化系統(tǒng)的控制和管理。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多維度數(shù)據(jù)的收集、處理、分析和推理，提高數(shù)據(jù)的處理效率和精度。感知一體化系統(tǒng)還可以應(yīng)用于各種場(chǎng)景，如工業(yè)自動(dòng)化、智慧城市、智能家居等，為人們的生產(chǎn)和生活帶來更加智能和便利的服務(wù)。

通信與感知技術(shù)歷來都是平行發(fā)展，在選擇頻率方面比較接近，但也有一些差別。但是，由于5G 毫米波及高頻頻帶的應(yīng)用，通信與感知頻帶在性能上有了整合或一波雙頻的可能性。表1 顯示了通訊和知覺頻率的發(fā)展。

表1 通信和感知頻率的發(fā)展情況

■1.2 感知的對(duì)外服務(wù)和對(duì)內(nèi)服務(wù)

感知的服務(wù)對(duì)象可以是6G 系統(tǒng)本身，也可以是6G 之外的其他對(duì)象。從服務(wù)對(duì)象的類別上看，感知可以劃分為外部服務(wù)和內(nèi)部服務(wù)。在外部感知方面，典型的感知用例和應(yīng)用方案可以根據(jù)感知的覆蓋面來分類，如表2 中所示。

表2 不同層次的感知信息

■1.3 感知一體化系統(tǒng)應(yīng)用

感知一體化系統(tǒng)在6G 通信技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用前景。在網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度和管理方面，感知一體化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置，提高數(shù)據(jù)傳輸效率和網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。通感融合體系結(jié)構(gòu)要求增加新的網(wǎng)絡(luò)元素，實(shí)現(xiàn)融合后的網(wǎng)絡(luò)管理。圖1 所示為所提出的通感融合網(wǎng)路的體系結(jié)構(gòu)。在這個(gè)體系結(jié)構(gòu)中，更顯著的變化是增加了感知服務(wù)器，完成一種或兩種感知的無線資源指派，可以根據(jù)感知到的距離和所感受到的時(shí)間精確度而被置于核心網(wǎng)機(jī)房、MEC 網(wǎng)絡(luò)邊緣。

圖1 通感融合系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 面向6G 通信的感知一體化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

■2.1 多源數(shù)據(jù)感知技術(shù)

感知一體化系統(tǒng)需要從多種來源收集和感知數(shù)據(jù)，包括聲音、圖像、光學(xué)、無線電等。在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)感知的過程中，應(yīng)該注意以下技術(shù)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性；數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)感知的過程中，可以綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段，包括傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等。

■2.2 數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)

感知一體化系統(tǒng)需要對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，提取有用信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化系統(tǒng)的控制和管理。在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和分析的過程中：數(shù)據(jù)預(yù)處理和清洗，包括數(shù)據(jù)去噪、濾波、歸一化等操作；數(shù)據(jù)特征提取和表示，提取數(shù)據(jù)中的有用信息，用于后續(xù)的分類和識(shí)別；數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分類、聚類和預(yù)測(cè)等操作；人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的智能化處理和分析。在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和分析的過程中，可以綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段，包括數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等。

■2.3 決策優(yōu)化技術(shù)

感知一體化系統(tǒng)需要通過對(duì)多維度數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置。在實(shí)現(xiàn)決策優(yōu)化的過程中：決策模型的設(shè)計(jì)和構(gòu)建，包括多目標(biāo)決策模型、約束優(yōu)化模型等；決策變量的選取和優(yōu)化，包括網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度和管理；決策算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、遺傳算法、粒子群算法等；決策結(jié)果的評(píng)估和反饋，保證決策的可行性和優(yōu)化效果。

在實(shí)現(xiàn)決策優(yōu)化的過程中，可以綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段，包括優(yōu)化理論、控制理論、智能算法等。

■2.4 系統(tǒng)安全技術(shù)

感知一體化系統(tǒng)需要保證數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)的可靠性，避免數(shù)據(jù)泄露和網(wǎng)絡(luò)攻擊等問題。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全的過程中：安全威脅的識(shí)別和預(yù)測(cè)，包括對(duì)外部攻擊和內(nèi)部泄漏等問題的識(shí)別和預(yù)測(cè)；安全策略的制定和實(shí)施，包括網(wǎng)絡(luò)訪問控制、數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證等措施的制定和實(shí)施；安全監(jiān)控和應(yīng)急響應(yīng)，包括對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和異常響應(yīng)，以及應(yīng)急預(yù)案的制定和實(shí)施；安全評(píng)估和加固，包括對(duì)系統(tǒng)漏洞和安全隱患的評(píng)估和加固，以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全測(cè)試和評(píng)估。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全的過程中，可以綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段，包括密碼學(xué)、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、安全測(cè)試等。

針對(duì)以上技術(shù)問題，本文將提出相應(yīng)的解決方案和實(shí)現(xiàn)方法，以支持6G 通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。同時(shí)，本文還將在實(shí)現(xiàn)過程中，對(duì)各種技術(shù)手段進(jìn)行比較和評(píng)估，以提高系統(tǒng)的效率和性能。本文所提出的技術(shù)方法和實(shí)現(xiàn)方案，可為感知一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供重要的參考和借鑒。

3 面向6G 通信的感知一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

在智能體的信息交互中，通信感知一體化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備一體化。通過這種方法，可以實(shí)現(xiàn)無線通信、無線感知、基于無線感知的無線通信和基于無線通信的無線感知4 種無線信號(hào)方式，其三種無線信號(hào)方式應(yīng)用較多，如圖2。無線通信和無線感知是傳統(tǒng)方式，而基于無線感知的無線通信技術(shù)則是將其作為一種通信方式來獲取目標(biāo)的信息。這一點(diǎn)與影像識(shí)別、可見光成像通信、無線射頻標(biāo)簽等相似。

圖2 無線信號(hào)信息交互方式

信息交互的另一智能體發(fā)射一種特殊的調(diào)制電磁波，并且接收到對(duì)方的回聲，因?yàn)樵摶芈暰哂信c對(duì)方的編碼信息相對(duì)應(yīng)的電磁波特性，所以能夠利用回波探測(cè)來獲得對(duì)方的編碼信息。基于無線感知的無線通訊系統(tǒng)，由兩個(gè)部分組成，感知信號(hào)接收器和可調(diào)節(jié)的編碼超平面，如圖3 所示。

圖3 基于無線感知的無線通信系統(tǒng)示意圖

在感知主體收發(fā)機(jī)中，感知信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生感知信號(hào)，它可以是諸如chirp（線性調(diào)頻）之類的雷達(dá)信號(hào)，或者是在OFDM 等通信系統(tǒng)中的偽隨機(jī)序列調(diào)制的無線電信號(hào)。在發(fā)射機(jī)鏈路的設(shè)計(jì)中，利用空口聯(lián)合設(shè)計(jì)和時(shí)頻—空資源復(fù)用技術(shù)，可以將通訊感知功能與系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)相結(jié)合。但是，在多路傳輸中，接收端的重用是一個(gè)巨大的難題。感知系統(tǒng)不但需要接收端與發(fā)送端的同步，還需要持續(xù)地對(duì)回聲信號(hào)進(jìn)行持續(xù)的探測(cè)；而時(shí)分雙工通訊則需要接收端和發(fā)送端同時(shí)工作。在此基礎(chǔ)上，基于基帶自干擾消除技術(shù)的全雙工無線射頻前端，利用無線傳感器對(duì)收發(fā)鏈路進(jìn)行充分復(fù)用，如圖4 所示。

圖4 收發(fā)鏈路完全復(fù)用的通信感知一體化

全雙工射頻前端采用是否共用天線陣進(jìn)行全雙工器設(shè)計(jì)，或采用天線間隔設(shè)計(jì)，但目前全雙工器尚在研發(fā)中，接收天線分開后的隔離要求會(huì)使器件體積變大，同時(shí)也帶來了接收和接收通道的互易問題；而在大帶寬的通信環(huán)境中，采用自干擾消除技術(shù)，則會(huì)增加基帶處理的硬件開銷。在現(xiàn)有的工業(yè)實(shí)施情況下，可以采取一個(gè)折中的方法，例如在現(xiàn)有的通訊系統(tǒng)硬件上，如圖5 所示，通過附加接收鏈路來進(jìn)行獨(dú)立感知，以避免產(chǎn)生負(fù)面影響，縮短信息技術(shù)到工業(yè)應(yīng)用的時(shí)限。

圖5 接收鏈路分立的通信感知一體化

■3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（1）感知數(shù)據(jù)采集與處理模塊

感知數(shù)據(jù)采集和處理是感知一體化系統(tǒng)的核心部分，需要采用高效可靠的方法，從各種數(shù)據(jù)源中獲取數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和建模。本文所提出的感知一體化系統(tǒng)采用了多種數(shù)據(jù)源，包括傳感器、移動(dòng)設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)等，并通過多種數(shù)據(jù)傳輸手段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，以實(shí)現(xiàn)全方位的感知能力。具體地，我們采用了如下技術(shù)手段：傳感器技術(shù)。通過安裝各種傳感器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理環(huán)境的感知和監(jiān)控，包括溫度、濕度、光照等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。移動(dòng)設(shè)備技術(shù)。通過利用移動(dòng)設(shè)備的感知能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶和環(huán)境的感知，包括用戶的位置、行為、健康狀態(tài)等信息的獲取。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通過建立無線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和共享，以支持感知一體化系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)功能。

在數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中，我們還采用了數(shù)據(jù)壓縮和優(yōu)化技術(shù)，以減少數(shù)據(jù)傳輸量和提高傳輸效率。可以采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和數(shù)據(jù)分析和建模技術(shù)。通過采用數(shù)據(jù)壓縮算法，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和編碼，以減少數(shù)據(jù)傳輸量；通過采用數(shù)據(jù)分析和建模算法，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以提取有用的信息和特征，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和決策。

（2）人工智能算法模塊

本文所提出的感知一體化系統(tǒng)采用了多種人工智能算法，包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等，以支持感知數(shù)據(jù)的分析和決策。包括機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)。通過采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、聚類、回歸等處理，以提取有用的信息和特征，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和決策；通過采用深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行高層次的特征提取和分析，以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析和決策；通過采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，對(duì)感知系統(tǒng)的行為和決策進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以適應(yīng)不同的場(chǎng)景和環(huán)境。

4 結(jié)語

本文基于6G 通信的發(fā)展需求和感知一體化系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究并設(shè)計(jì)了一種面向6G 通信的感知一體化系統(tǒng)，主要包括感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、算法優(yōu)化模塊。本文所涉及的技術(shù)和方法不僅對(duì)6G 通信的發(fā)展具有重要意義，也對(duì)人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的技術(shù)研究和應(yīng)用有著重要的借鑒意義。在未來的研究中，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化和完善該系統(tǒng)，并與其他相關(guān)技術(shù)進(jìn)行融合和應(yīng)用，提升系統(tǒng)的整體性能和功能性，以適應(yīng)不斷變化的通信和信息化需求。