6G通感一體化組網融合技術*

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 網絡旨在為用戶提供更加豐富的業務體驗，不僅滿足大帶寬低時延的數據傳輸，還希望通過通信和感知的融合進一步提供與感知相關的服務。通感一體化作為6G 新系統自身賦能、提質增效的重要利器，將會成為未來6G 系統的重要組成部分[1]。在5G 以前，通信和感知的發展進程是相對獨立的，在感知業務需求的激進和通信向著2B 發展的總體趨勢下，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 通感融合設備和組網模式[2]。因此，標準組織和產業界對通感融合進行了大量的研究。

1 通感一體化現狀

1.1 標準組織研究

R16 中開始研究基于NR 的定位技術，標志著3GPP對感知開始了初步的標準化研究，但NR 的定位主要用于對通信設備的定位，且定位業務只是感知業務中的一個分支，因此需針對不同通感融合場景進行增強設計，要進一步確定技術框架和關鍵技術，最終形成標準協議。

目前通信感知融合技術處于預研階段，對于RAN 側，聯想在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備的增加，設備對環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，需要大規模MIMO、更高的頻段、更寬的帶寬、靈活的上下行配置等NR 技術為無線傳感鋪平道路，同時用于數據通信目的的射頻模塊可重復用于無線傳感，在R18 中研究無線傳感技術將為用戶提供更好的服務質量；中國電信在RP #95e 上提出，在R18 的研究中應該以現有的5G 網絡為基礎，將網絡的能力從“聽和說”擴展到“看和感覺”，創造一種增強人類智能的數字感知，提出確定典型感知用例及其相關KPI、研究通信和感知復用傳輸模式、研究在現有5G 網絡架構上通信和感知融合的方法等目標[4]。

對于SA 側，中國移動等在SA1#97 上提出針對不同垂直應用的通信感知融合服務場景，研究增強5G 系統的用例和潛在要求，確定感知相關的性能要求，研究與安全、隱私、監管要求和收費相關方面內容[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4.0 等垂直領域也越來越受歡迎[6]；華為公司等提出無人機應用、遠程控制、無人機交通管理等需要通信和感知融合，分析現有5GS 架構和支持感知架構間的功能差距，研究支持感知服務所需的E2E 架構增強功能[7]；vivo 闡述了不同場景下所需的感知內容，并提出支持基于感知的網絡架構和相關用例[8]，研究基于BS 回波檢測和基于Uu 接口的感知、基于現有上下行參考信號的Uu 感知服務等內容[9]。

1.2 產業推進

在產業界方面，2018 年GlobeCom 大會上首次提出通感一體化技術研究[10]，國內多家公司和相關通信機構在6G 預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 通信感知一體化學術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；同時，中國移動研究院和華為公司聯合主辦的通信感知一體化行業應用研討會在北京召開，各個運營商、設備商、終端商等產業代表分析5G 網絡演進現狀，并展望6G 中通信感知融合的機遇和發展。2021 年9月，IMT-2030(6G) 推進組發布“通信感知一體化技術研究報告”，對通感一體化的研究現狀和發展趨勢進行總結，闡述相關應用場景、基礎理論研究和關鍵技術等，展望解決商用之前面臨的多方面挑戰[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，通感一體對相關行業突破發展瓶頸帶來了全新的可能。與此同時，中國通信學會也于2022 年1 月發布“通感算一體化網絡前沿報告”白皮書[12]，分析通感一體化的典型應用場景和性能評價指標體系，闡述了通信感知融合的關鍵技術，希望加快相關技術的發展，推進通信感知融合在各行業走向規模商用。

通感一體化產業推進圖如圖1 所示。

圖1 通感一體化產業推進圖

2 通感一體化組網

通感一體化組網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，又實現了感知的組網能力。宏微基站的協同感知存在多種方式，可以合理選擇感知站點，并將感知數據進行共享，也可以通過多點同時感知，對感知數據進行相互補充或合并。靈活的協同感知方式提升了網絡面向不同感知需求的服務能力。除此之外，為了提高協同感知的頻譜效率，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 宏微基站協同感知

宏微基站組網作為移動通信的基本組網方式，其設計初衷是為了實現通信覆蓋和容量的平衡。其中宏基站負責廣域的信號覆蓋和移動性保障，而微基站在熱點地區提供超高容量數據服務。因此，二者的共存將是未來網絡發展所面臨的常態。隨著將感知功能集成到移動通信系統，宏微基站間的協同優勢可以進一步放大：感知從點對點的鏈路能力擴展到多點協同的組網能力，網絡能力也從單一傳統通信維度擴展到通信感知相結合的雙重維度[12]。

考慮到感知環境、感知業務需求和網絡拓撲等多重因素，宏微基站協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、數據共享

在移動通信中存在大量接口，基站間通過Xn 接口實現數據互通，基站和核心網之間通過NG 接口實現數據互通。在單站就可以滿足感知業務需求的情況下，采用單點感知，數據共享的方式無疑是最佳的感知方式。其優勢在于可以避免對同一感知目標的重復感知，節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，提升感知結果的準確性。如圖2 所示，在接入網選擇最適合進行感知任務的宏基站或微基站發送感知信號，感知數據由該基站共享給其他需要的基站。如果基站間存在Xn接口，感知數據可以直接通過Xn 接口進行共享；如果基站間不存在Xn 接口，需要先將感知數據通過NG 接口傳輸給核心網，并借助核心網分發至其他基站。

圖2 單站感知，數據共享示意圖

（2）多站感知、數據互補

面對復雜繁多的感知任務，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同實現不同類型、不同位置、不同能力基站間的優勢互補。如圖3所示，針對同一個感知目標有多個指標需要探測，可以根據宏微基站的特點將不同的感知指標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，宏觀的指標適合由宏基站來進行感知，但由于宏基站架設位置較高，與感知目標的距離較大，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更近，感知結果更加精確，因此適合將微觀指標分配給微基站進行感知。通過宏基站和微基站的協同感知和數據上的相互補充，可以對感知目標得到一個全方位的感知結果，既能滿足在廣域宏觀指標的探測，又可以滿足微觀高精度指標的探測。

圖3 多站感知、數據互補示意圖

（3）多站感知、數據合并

除了感知數據的互補，多站協同也可以針對相同的感知指標來實現進行感知，并對感知數據進行合并處理，以達到更高的感知性能。如圖4 所示，針對同一感知目標的同一個感知指標基站A 和基站B 的感知精度都無法滿足感知任務需求，但是通過將各自感知數據上傳至核心網進行合并處理，能夠實現感知精度的進一步提升。該感知方式體現了組網感知能力可以在不升級硬件的情況下，通過基站間的協作進一步提升感知性能，充分利用現網硬件資源的同時，滿足了高質量的感知服務需求。

圖4 多站感知、數據合并示意圖

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

1）盡量繞開感知節點和感知目標間的遮擋物；

2）采用較低發射功率以減少網絡功耗；

3）在感知精度相同的情況下，減少參與協同感知的節點數量。

由于網絡側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習算法對網絡感知節點進行智能化選擇，能夠減少網絡的運營成本，實現多點協同感知的自動化。

2.2 通感資源協同共享

在通信感知融合的場景下，海量設備的接入將會對現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，傳統的復用技術可以應用，如時分復用技術可以根據不同需求分配通信時間和感知時間；頻分復用可以根據不同需求分配通信和感知占用頻段資源；空分復用根據不同需求調整空間波束資源；碼分復用可以根據不同的正交碼，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，僅僅通過現有的復用不能滿足通感一體化場景下的海量節點連接，此時需要考慮引入通感資源協同共享機制，提高頻譜資源的利用率。

在通感共享頻段，為實現資源合理分配和干擾協調，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到該設備信道接入優先級確定的退避窗口最大值的區間內，隨機選擇退避計數值，再次嘗試接入信道，若信道檢測空閑，退避計數器減1，直至計數器為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，則凍結計數器，直至信道檢測空閑再開始倒計減1。圖5 中紅車和藍車共享相同頻段資源，因為紅車在占用該頻段資源發送感知信號，所以藍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。為了保證不同設備接入信道的公平性，需采用非連續傳輸機制，即設備接入信道后占用信道的時間有限，根據設備的信道接入優先級定義該設備可選擇的最大退避數和接入信道后的最大占用時間[14]。這種機制不僅可以應用于通信設備之間的協調，同時還可應用于感知設備之間的協調、通信設備和感知設備之間的協調，實現現有資源的合理分配。

圖5 通信感知資源共享示意圖

3 感知服務與QoS

隨著網絡具備感知能力，其提供的業務范圍也將極大拓寬。網絡不僅可以提供通信業務，還可以提供針對不同場景的感知業務，如道路流量檢測、高精度地圖構建和無人機探測與監管等。如何保證感知類業務的業務需求是驗證通感一體化組網性能的最終體現。在移動通信中，采用QoS 模型來描述和保障通信業務需求，其中QoS 流作為PDU 會話中區分不同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流都具有特定的標識，網絡根據標識對QoS 流執行數據轉發、資源映射等策略，最終實現QoS 的指標要求[15]。

在6G 通感一體化組網的架構下，傳統的QoS 模型需要拓展到感知業務，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 流以滿足感知業務的指標要求。感知QoS 流作為區分感知業務的最小粒度，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務提供更好的資源保障，實現更加靈活的感知業務調度策略。

圖6 感知QoS模型

相對于通信QoS 主要關注數據速率和時延兩方面指標[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，可以對這3 個指標進行標準化。除此之外，針對不同業務還涉及刷新率、目標檢測率、目標虛警率、感知范圍等特殊指標，這類指標可以放到擴展字段進行表征。

4 未來挑戰

近兩年來，通感一體化在學術、標準、產業迅速開展研究，具體研究內容體現在通感一體化網絡典型應用場景、性能評價指標體系、一體化空口設計等，但目前通信感知融合技術處于預研階段，相關關鍵技術研究還處于萌芽狀態，需要在理論、關鍵技術、系統驗證等方面繼續研究，具體面臨的挑戰包括：

（1）理論基礎：目前現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、通信波形、感知波形等，現有的通信指標和感知指標間相互作用的原理沒有理論支撐[17]，需要結合最新的傳輸理論設計通感一體化場景下傳輸過程中的信道模型，對信號發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等理論體系。

（2）網絡架構和傳輸協議：原來的系統架構和傳輸協議已不能再使用，需要設計可用于通信和感知協同傳輸的新系統架構和傳輸協議，對于不同設備間的資源如何高效分配、如何協調獲取的感知信息等資源優化和分配問題需要研究。處于同一覆蓋網絡的設備產生的感知數據之間的相關性需要研究[18]，強大的數據驅動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提供了新的機會。在數據豐富、復雜的應用場景中，特別是對于室內和城市室外信道條件較差的情況下，存在大量的多模態、間接和噪聲觀測，以及系統非線性信號特性的物理特性可能難以建模[19]，僅靠傳統的數學模型和信號處理技術無法解決此類復雜的應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行為進行建模，有望解決復雜的通信/ 感知信道、周圍環境的不確定性?；贏I 模型，結合數據驅動和模型驅動方法的優勢，設計出更高效、更魯棒的通感一體化系統，考慮如何利用AI 解決通感資源分配和感知信息相關提取問題。

（3）太赫茲通感：通感一體化將在物理世界和網絡世界的融合中發揮至關重要的作用，對更高頻段、更大帶寬和更先進的大型天線技術有著更高的要求。未來的毫米波通信和毫米波雷達將使用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Tbps數據速率傳輸，同時促進傳感在增強人類感官、姿勢識別、工業定位等方面的實用意義，開啟了在移動通信設備上具有較高分辨率傳感和成像能力的可能性，通過構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毫米級傳感分辨率的可行性。目前太赫茲通感技術面臨著多種感知信息處理融合、通感系統能耗問題等挑戰。

（4）硬件實施：通感一體化硬件實體需要設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，這對于設備尺寸、天線尺寸、實現的成本、功耗等有一定挑戰。

5 結束語

通感一體化作為未來6G 系統發展的重要方向，將為用戶提供更加豐富的業務體驗。本文分析了現有標準化和產業鏈進展，重點研究了通感一體化組網關鍵技術，首先利用移動通信網絡廣泛部署的站點資源，提出了宏微基站協同感知組網，并且結合感知數據的共享，互補和合并提出了具體的協同感知方案，極大提高了感知性能和靈活性。同時，為了提高協同感知的頻譜效率，設計通感資源協同共享機制，有效避免二者傳輸資源間的碰撞。除此之外，面向未來感知類業務將原有QoS 機制進行拓展，提出并定義感知QoS 概念，從網絡角度研究感知QoS 保障機制。最后分析了通感一體化未來面臨的挑戰，并為未來研究提供了方向。