通感一體化融合架構及關鍵技術*

楊艷，張忠皓，李福昌

（中國聯合網絡通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

目前，學術和標準化等組織都開展了6G網絡和技術的相關研究[1-3]。6G網絡將具備“全域融合、極致連接、彈性開放、智能原生、數字孿生、綠色共享、算網一體、安全可信”等特征。而通信和感知一體化或者通感融合技術是可以助力完成數字孿生和綠色共享等6G網絡元素的網絡技術，因此也受到學術界和產業界的深度關注，投入了大量的研究力量。國內外的標準化組織也開展了相關任務組合專項研究，如3GPP已經在SA1初步完成首個通感融合立項；國內IMT2020和IM2030成立了通感融合工作組，CCSA也開展了通感融合研究工作。

目前，國內外專家已經對通感融合的研究需求、研究架構和關鍵技術等進行了研究。文獻[4]介紹了通信和感知融合的可行性；文獻[5-11]介紹了通感融合的網絡架構關鍵技術，適用于5G-A和6G場景下多個基站聯合部署的需求；文獻[12]從安全的角度介紹了通感融合需要注意的技術要求；文獻[13-16]介紹了通感融合波型選取的考慮及OFDM等波型的感知性能。

本文首先介紹了5G-A通感融合的架構，針對5G網絡的延續性，提出了在現有網絡架構基礎上，面向廣域和局域場景的5G-A通感融合網絡架構，然后介紹了6G通感融合架構的兩種架構建議，再次，對通感融合的關鍵技術進行了分析，最后進行了全面總結。

1 5G-A通感融合架構研究

隨著5G技術的不斷發展，毫米波和空間天線技術推動了在5G-A階段進行基于5G架構的通感融合研究。5G-A階段的通感融合應對是通感融合的初步融合，5G-A階段是指在R19及后續5G版本中需要進行部署的通感融合系統，架構的穩定性和可繼承性是需要重點考慮的，因此本階段不考慮改變原有的網絡架構和通信波形，更多的考慮使用現有頻率和設備架構進行一些簡單的通感融合業務，如高精度定位或者非高精度的成像業務等。

1.1 5G-A廣域場景部署的通感融合架構

在廣域場景下，通感融合需要考慮在較大的范圍內實現通信和感知業務，因此需要考慮可以兼顧移動性的要求下在較高的層次的核心網網元上部署感知處理網元。下面給出一種將感知網元放置在AMF，當然也可以考慮放置在AMF后面的核心網網元，架構圖如圖1所示?？梢钥闯?，這個架構就是現在5G網絡的架構，核心網和無線側都沒有突破性改變，僅是通過設置簡單的核心網網元的感知功能的增強或者在核心網中額外添加一個感知處理網元就可以實現，類似于5G中定位模塊。在無線側可以添加感知接口或者復用原有的Uu口進行感知數據的接收，核心網可以按照感知處理網元是否合設，進行專有感知接口的設置工作。

圖1 5G-A廣域場景部署的通感融合架構

1.2 5G-A局部場景部署的通感融合架構

5G-A局部場景部署的通感融合架構主要是適用于園區等較為封閉和業務本架構將感知網元進行相對集中的場景。在這種情況下，本文考慮與現有本地化網絡的銜接性和信息保密性要求，建議在局域網范圍內設置感知處理網元，同時也可以按照需求與公網進行協作。在本架構下，可以考慮核心網網元下沉，按照需求將UPF等網元或整個局域核心網一起下沉，實現低延時高可靠的要求，圖2給出了網絡架構：

圖2 5G-A局部場景部署的通感融合架構

2 6G通感融合架構研究

由于目前6G的網絡架構尚未明確，因此對6G通感融合的架構研究還相對較少。本節主要考慮6G中較為明確的多頻譜特征和算力網絡的應用特征，提出了兩種6G通感融合網絡架構。

2.1 高低頻協助的6G通感融合架構

頻率一致是通信和感知共同部署的關鍵資源，但是低頻頻段雖然覆蓋范圍廣泛，但是缺乏大帶寬及豐富的波束資源，感知能力有限；反之，高頻段則是在頻能力和帶寬方面都有極好的表現，但是覆蓋范圍小影響了大范圍部署。從通信技術發展的情況來看，6G的頻段將朝超高頻段（THz）發展，同時也將沿用頻譜重耕的原則對中低頻段進行6G化處理，因此在通感融合架構中也應當考慮高頻和低頻聯合使用的網絡架構。圖3給出了基于高頻基站和低頻基站聯合部署的通信感知網絡架構。通過在低頻基站內添加簡單的感知多徑變化判別功能模塊和感知觸發識別功能，完成初次感知和特發情況觸發功能；通過添加感知服務器，對感知進行綜合處理；通過在高頻基站上添加感知功能，實現通信不間斷，感知隨機應變的功能。圖3給出了高-低頻通信感知一體化的架構，低頻基站可以覆蓋較大的范圍，但是其帶寬有限，穿透能力好導致多徑較少，精準定位和成像的能力有限，因此可以作為初步感知。相對地，高頻基站是毫米波或者THz基站，這類基站帶寬較大且大量多徑，成像和定位效果好，但是由于工作頻率高，導致覆蓋能力有限且對障礙物較為敏感，因此只能進行短距離的通信和感知。

圖3 高低頻協助的6G通感融合架構

2.2 基于算力網絡的6G通感融合架構

6G中，人工智能和算力網絡都將極大地提升整個網絡的計算性能。算力網絡是一種根據業務需求，在云、網、邊之間按需分配和靈活調度計算資源、存儲資源以及網絡資源的新型信息基礎設施[17]。目前，網絡基礎設施通過其成熟發達的連接感知觸角，將多級分布的算力資源進行統一的動態納管、調度和編排，實現全網資源的虛擬算力池化優勢，在提升服務質量和資源利用率的同時，為網絡運營商使能全新的業務提供能力和算網融合商業模式。

因此，在6G通感融合架構設計中，也可以通過在終端、基站和核心網等網元分別進行擇優化的力所能及感知數據處理，并分級分層的將感知處理階段結果進行疊加處理，完成感知數據的集約化，從而充分節省空口資源。

3 面向通感融合系統的關鍵技術研究

在通感融合中，需要考慮多種典型技術的研究，其中波形、設備工作模式和空口技術等都有較大的研究難點，也決定了通信和感知的可行性。

3.1 新型一體化波形研究

通信和感知融合后，現在的波形將無法滿足現在的雙重部署需求，因此一體化波形設計成為通信感知融合中一個較為重要的技術。通感一體化波形的設計，可以從理論的角度入手，并結合應用的需要，開發出最適合通信和感知一體化的波形，從根本上實現通感融合的要求。從當前的研究來看，波形設計可以分為2個不同的發展方向，一個是采用現有波形的折中選擇[13-15]，一個是采用全新的波形[16]。首先從目前的研究來看，OFDM可以滿足一定的通信和感知需求，但是需要進行帶寬和幀結構的改變。新型波形則是要更深層次地將雷達波形融入到通信波形中，從未實現較好的通信和感知性能的雙向提升。

3.2 面向通感融合的全雙工技術

相對于通信來說，感知需要同時且連續的發送和接收數據，這樣才能實現高質量的感知需求。但是目前5G通信大部分都是采用TDD模式，無法做到同時接收。FDD可以實現上行和下行同時進行，但是目前僅用在低頻段且需要獨立的上行和下行頻段，資源利用率低，無法利用到高頻段的資源及特定的頻率特性。

全雙工技術的優點可以總結如下：1）高頻譜利用率：與利用正交行道的穿透半雙工方式不同，全雙工技術能搞同時同頻收發，在無自干擾的理想情況下比半雙雙工的頻譜利用率提升1倍；2）高安全性：在一個包含全雙工設備的網絡可以利用自身信號消除干擾，有效地接收其他設備發送的信號，避免了竊聽設備利用多重疊干擾信號獲取有用信號[18-19]。

全雙工技術在應用時存在著不容忽視的問題，其中最大的問題是回環干擾噪聲會對系統性能造成嚴重的影響?；丨h干擾噪聲指同時接收和發送同頻信號導致發送信號被全雙工節點自身的接收天線接收。實際全雙工系統中，接收來自對方節點有用信號傳播的時間和距離均遠遠大于回環干擾噪聲。因此有用信號和回環干擾噪聲的強度有很大差別，導致難以直接解碼獲得有用信號。干擾問題也是影響全雙工技術研究的重要問題，其中包括非理想干擾消除和用戶間干擾增強。

全雙工實現上行和下行的同步接收和發射，可以較好地實現通感融合的要求，但是目前全雙工技術的難度較大，需要進行較多的研究。但是從性價比上來看，全雙工將是解決通感融合高效能通信和高精度感知的較優化的技術路線。

3.3 超大規模天線與智能化天線陣列

超大規模天線是6G中一個較為明確的研究方向，可以最大化空間可用性，在加持通信和感知的需求后，超大規模天線可以使用精準的空間復用提升吞吐量，也可以使用超大規模天線的海量多徑信息對需要感知的物體進行較為準確的感知。

大規模天線技術的升級演進，隨著新技術新材料的出現，陣列天線得以進一步地擴大，并可提供新服務，支持新場景，獲得更高的頻譜效率、更靈活的網絡配置、更精準的定位及更高效的能耗效率，滿足未來移動通信的部署。

目前超大規模天線的研究方向如下：

1）超大規模信道建模，低復雜度低開銷信道估計和反饋，如近場模型/連續孔距/空時非平穩特征/更高頻段；

2）以用戶為中心網絡結構和低成本、靈活部署方案的實用化分布式大規模天線；

3）新型天線材料與系統架構融合的新型陣列結構和天線設計；

4）智能化超大規模天線；

5）空間精準定位與感知。

此外，超大規模天線可以將波束調整到盡量的高強度，這樣的窄帶部署可以在感知中獲得更加強大的回波信息，對感知物體的位置和外形等可以進行較為精度的感知。

4 結束語

通信和感知融合或者一體化是當前較為有場景的6G技術，也是可以在5G-A階段進行提前部署的潛力技術。通信和感知一體化或者融合是一個循序漸進的過程，內部需要研究的內容很豐富，但是可以有效地提升通信的質量，也可以實現無接觸感知，是未來一個比較有潛力的發展場景，需從架構、關鍵技術和評價指標等進行全方面研究，不過通感融合并不存在對其中任何一個行業的吞噬化，未來的通感一體技術將是一個開放的、互助的良性發展的全行業生態圈。