葉 威 高樹亮

華為技術(shù)有限公司 深圳 518129

引言

引言隨著移動通信發(fā)展，通信系統(tǒng)的載波頻率逐漸提高，帶寬逐漸增加，天線規(guī)模增加，通信和雷達(dá)的工作頻率和帶寬逐漸接近，隨著Massive MIMO、軟件無線電和OFDM雷達(dá)的發(fā)展，通信和感知在波形、基帶數(shù)字信號處理方面有了統(tǒng)一的可能性，通信感知一體化的概念逐漸在學(xué)術(shù)界開始流行[1-3]。最初從GSM和3G年代開始就有了移動通信產(chǎn)生感知方面的初步研究。隨著Wi-Fi和4G的發(fā)展，通信感知一體化方面的研究越來越受到重視。在面向5G-Advanced的研究中，感知將會是蜂窩系統(tǒng)的一個重要能力和特性，并可能在未來幾年獲得商用落地。通信感知一體化所囊括的內(nèi)容比較廣泛，包括基站的感知能力、終端的感知能力、基站和終端相互配合的感知能力、基于基站發(fā)射的新增接收節(jié)點獲得感知能力等等，本文主要討論基于蜂窩基站衍生的感知能力。

通信感知一體化的最初發(fā)展，很多研究都是基于軟件無線電實現(xiàn)架構(gòu)上，用通信的硬件和通信波形完成測距功能[4-5]。但這些領(lǐng)域的技術(shù)進步并沒有提供當(dāng)前應(yīng)用場景下的完整解決方案，從完整系統(tǒng)角度來看，存在的主要問題有以下幾點。

1)通信和感知的資源分配問題。當(dāng)前通信業(yè)務(wù)一般是突發(fā)方式，具有一定的隨機性，是非周期的，通信的方向和用戶位置相關(guān)，沒有規(guī)律。而感知則需要固定周期重復(fù)在時域和空域方向掃描，不管這個方向上是否有目標(biāo)。

2)硬件融合問題。通信和感知對硬件的要求不同。在發(fā)射機方面，感知傾向于大功率設(shè)計，發(fā)射機工作在1dB壓縮點附近，發(fā)射恒包絡(luò)的單載波信號；通信則傾向于更大工作動態(tài)范圍，發(fā)射線性多載波信號，對EVM要求高。在接收機方面，需求正相反，感知需要更大的動態(tài)范圍來兼顧近處目標(biāo)和遠(yuǎn)目標(biāo)、強目標(biāo)和弱目標(biāo)；而通信可以借助上行功率控制機制控制終端發(fā)射功率，對接收機動態(tài)要求不高。

3)網(wǎng)絡(luò)融合問題。站址和天線是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，通信感知一體化需要依托已有站址資源才能更好發(fā)揮優(yōu)勢，實現(xiàn)通信感知網(wǎng)絡(luò)融合。但當(dāng)前站址的位置和站間距都只考慮了通信的需求和技術(shù)能力，而這些站址、天線朝向和站間距對感知不合適。

4)合適通信感知的產(chǎn)業(yè)節(jié)奏。無線蜂窩系統(tǒng)是一個無線逐步替代有線的過程，業(yè)務(wù)需求和產(chǎn)業(yè)節(jié)奏非常明確。2G與3G替代有線電話，4G與5G替代有線互聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)是同步成熟。但感知方面和蜂窩結(jié)合的業(yè)務(wù)需求之前并沒有出現(xiàn)，特別是廣域感知覆蓋。這些應(yīng)用的問題導(dǎo)致了通信感知一體化的發(fā)展，需要在技術(shù)成熟度和商業(yè)模式兩個方面同時拓展。

對比當(dāng)前常用的毫米波FMCW雷達(dá)和毫米波通信基站，毫米波基站有遠(yuǎn)高于FMCW雷達(dá)的EIRP，AD采樣率高1個數(shù)量級以上，天線口徑更大，在探測距離、角度精度等方面有明顯優(yōu)勢，具備替代當(dāng)前FMCW雷達(dá)的能力，有可能快速地投入商用部署。當(dāng)前的研究主要集中在通過聯(lián)合優(yōu)化通信感知系統(tǒng)，盡量降低感知占用的時頻資源開銷，避免感知功能額外增加成本，包括硬件和組網(wǎng)方面的成本。

1 通信感知一體化商用場景分析

通信感知一體化的應(yīng)用場景可以找出很多[2-3，6-9]，包括交通場景、室內(nèi)Wi-Fi、衛(wèi)星、軍事應(yīng)用等場景，其中包括一些適合蜂窩的場景。蜂窩系統(tǒng)當(dāng)前覆蓋優(yōu)勢主要在室外和室內(nèi)公共場所，比如商場、體育場、車站、機場等區(qū)域。面向住宅的室內(nèi)部署場景比較少，比如，臥室、小辦公室。因此蜂窩感知當(dāng)前主要場景考慮還是室外、遠(yuǎn)距離，同時有通信需求和感知需求、能發(fā)揮蜂窩優(yōu)勢的場景。經(jīng)過對一些領(lǐng)域的分析洞察，當(dāng)前最可能有商業(yè)應(yīng)用前景的場合主要有以下三個。

1.1 智慧交通和車路協(xié)同場景

智慧交通是指利用ITC設(shè)施輔助公路網(wǎng)絡(luò)，提高交通通行效率，降低事故率，未來可以為自動駕駛提供第三方視角的感知數(shù)據(jù)，提高感知可靠性，避免感知死角。當(dāng)前智慧交通的實現(xiàn)方式是沿公路部署傳感器，全路段，全時段檢測路上行駛的車輛、行人、拋灑物等對象，并通過路側(cè)部署的通信設(shè)備實時傳送給路面的車輛。在這種場景下，有很強的感知和通信共存的需求。當(dāng)前智慧交通已經(jīng)納入新基建的支持范疇，獲得國家層面的重點資助。

隨著圖像識別技術(shù)的突破，攝像頭廣泛應(yīng)用于交通場景，攝像頭有幾個不好解決的痛點問題。

1)光照不理想的時候性能比較差，比如夜晚光線暗，早晚太陽照射角度比較低，能直接出現(xiàn)在攝像頭中的時候。

2)惡劣天線對攝像頭影響嚴(yán)重，比如雨雪霧天氣。

3)攝像頭無法兼顧視野，覆蓋距離和清晰度，在公路上覆蓋距離比較近，想做到公路連續(xù)覆蓋很困難。

無線感知是和攝像頭互補的探測技術(shù)，最大的優(yōu)勢是距離很遠(yuǎn)，能用較少站點做到沿公路連續(xù)覆蓋，不受天氣和光照影響。配合攝像頭的車牌識別功能，可以跟蹤車輛在公路上的連續(xù)行駛軌跡，記錄在行駛車道，還原事故勢態(tài)，統(tǒng)計路面上的車輛數(shù)量和行駛速度。利用這些數(shù)據(jù)可以優(yōu)化紅綠燈相位，提高道路通行效率，降低事故率。

面向智慧交通場景，感知的核心訴求是能在能識別車輛類型，分車道連續(xù)跟蹤，為了降低總的投入，站點數(shù)盡量少，感知和通信要做到同覆蓋。

未來，如果車輛具備一定的自動駕駛能力，如車輛自身能達(dá)到L2的輔助駕駛能力，并具有低時延通信能力，有希望在路側(cè)感知設(shè)備輔助下，更高等級的自動駕駛能力。

1.2 鐵路周界場景

鐵路邊界一般有護欄封閉，避免車輛、行人和動物侵入。除了車輛行人和動物入侵之外，還可能出現(xiàn)落石、異物侵入等問題。一旦發(fā)生這些意外，對鐵路安全運營影響非常大。鐵路領(lǐng)域迫切需要一種技術(shù)能低成本的覆蓋所有鐵路沿線，全時段、全天候的監(jiān)視鐵路沿線安全。同時，鐵路方面一直有通信的需求，除了旅客用手機上網(wǎng)之外，還有車內(nèi)監(jiān)控視頻，列車相關(guān)數(shù)據(jù)，車內(nèi)公共娛樂等信息需要實時傳輸。通信感知一體化技術(shù)單站覆蓋距離遠(yuǎn)，通過通信功能可以分擔(dān)部分成本，不受天氣和光照因素影響，有希望能成為可行的候選技術(shù)方案。

鐵路周界場景的關(guān)鍵需求主要是檢測低速移動的人和動物，特別是橫向穿越鐵路的場景。此外還有靜目標(biāo)的檢測，能檢測到落石和樹木、車輛等異物出現(xiàn)在鐵軌上。

1.3 低空無人機探測場景

對低空無人機等目標(biāo)的檢測有很多種需求。當(dāng)前快遞、外賣行業(yè)在國內(nèi)規(guī)模很大。用無人機送貨具有時效性高，安全性高，能有效節(jié)省成本。低空開放已經(jīng)提到日程，國內(nèi)已經(jīng)批準(zhǔn)多地開始試點。低空無人機商業(yè)運營需要劃分航道，對低空資源做管理，無人機要能遵守低空空域調(diào)度，除了無人機主動自覺遵守規(guī)則之外，還需要一種執(zhí)法手段來核實無人機實際運營是否按照所申請和上報的航線運行。其次，無人機跨越了所有的圍墻，物理世界中常用的基于圍墻/門崗的安全手段在無人機面前無效，需要對非合作的無人機能及時發(fā)現(xiàn)，檢測是否侵入非開放空域的區(qū)域。

另外一種低空目標(biāo)探測場景主要在機場周邊的凈空保護，需要探測無人機和鳥群。

低空無人機探測場景下，主要問題是無人機目標(biāo)體積和雷達(dá)反射截面積很小，典型的消費級無人機在毫米波頻段的雷達(dá)反射截面積大約0.01～0.02平方米，并且飛行環(huán)境復(fù)雜，高度低，速度慢，容易混在地雜波里，典型的低慢小目標(biāo)探測，這也是傳統(tǒng)雷達(dá)領(lǐng)域經(jīng)典難題。在這種應(yīng)用場景下，探測距離是最大的挑戰(zhàn)。當(dāng)前蜂窩系統(tǒng)城區(qū)站間距幾百米，郊區(qū)站間距幾公里，考慮重用蜂窩站址，需要對無人機探測距離達(dá)到300米～2公里范圍。

2 通信感知一體化空口融合

感知的波形設(shè)計是關(guān)鍵技術(shù)之一。通信和感知的波形概念有些區(qū)別。對于通信來講，波形設(shè)計一般指物理層符號設(shè)計，如CDMA或OFDM符號，對感知來講，波形設(shè)計包括了為完成測距、測速、測角功能所使用的物理層波形設(shè)計和感知幀結(jié)構(gòu)設(shè)計，比如符號掃描重復(fù)周期，掃描空間圖案等。

使用OFDM符號，通信和感知都能獲得比較理想的效果。作為4G和5G的通信波形，OFDM波形下通信的速率可以做的比較高，作為感知波形，信號的模糊函數(shù)比較理想。在測距方面，OFDM可以同時滿足通信和感知的需求。對于感知來說，測距、測速測角也是重要的基本的能力，盡管在測距方面，通信和感知有了交集，但測速和測角，通信和感知共用幀結(jié)構(gòu)還存在困難。

對通信來說，業(yè)務(wù)模型一般服從泊松分布，有了業(yè)務(wù)之后盡量分配最大資源，快速完成傳輸然后終端進入休眠狀態(tài)節(jié)省電池電量，通信過程中，需要把通信波束指向通信用戶。而對于感知來說，需要周期性地對某一個方向測距和測速，不管有沒有目標(biāo)，都需要在整個小區(qū)范圍內(nèi)掃描，以便發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，有些場景還會有跟蹤模式，對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)做重點測量。感知的測角和掃描過程，需要在時間、空間維度上均勻的分配資源，即使這些方向沒有用戶。在跟蹤模式下，所跟蹤目標(biāo)也很可能沒有通信需求。通信目標(biāo)和感知目標(biāo)在時間維度和空間維度上分布不同步，很難實現(xiàn)通信感知幀結(jié)構(gòu)復(fù)用。

解決這個問題最基本的方案就是通信和感知各自擁有自己的幀結(jié)構(gòu)。通信感知的資源可以通過時分、頻分、空分、碼分等方式復(fù)用。比較簡單可靠的做法是時分。采用這種方案可以滿足第二章提到的三種應(yīng)用場景需求，如果希望進一步降低開銷，可以進一步研究更好的復(fù)用方式和共用方式。

得益于5G靈活的通信信號格式，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)支持在一個信號幀中占用幾個數(shù)據(jù)符號用來做感知。如圖1所示，可以在當(dāng)前通信信號幀里面時分出幾個固定符號做感知用。在通信感知時分系統(tǒng)中，需要周期性發(fā)射測距信號來實現(xiàn)測速，但在通信感知一體化、通信感知時分場景下，下行公共信道和上行信道不能被感知符號占用，否則現(xiàn)有終端無法識別基站信號。這樣導(dǎo)致了感知符號不能等間隔周期性分布，在上行時隙和下行公共信道時隙有缺失，這造成了速度譜的柵瓣問題。采用插值和壓縮感知等技術(shù)可以一定程度解決柵瓣問題。

圖1 通信感知時分資源復(fù)用方案

通信感知的時分也帶來了頻譜效率降低的問題，對終端傳輸相同的數(shù)據(jù)，由于某些符號用來做感知，需要更長的時間才能傳完，這就增加了終端的功耗。通信的頻譜需求是動態(tài)的，和業(yè)務(wù)量相關(guān)，感知如果不做目標(biāo)跟蹤，對頻譜的需求幾乎和目標(biāo)數(shù)無關(guān)，為了滿足苛刻的感知指標(biāo)需求，需要占用比較多的資源開銷。如何降低感知資源開銷需要進一步研究。

3 通信感知一體化硬件融合

無線蜂窩衍生的通信感知有很多種類型，根據(jù)發(fā)射和接收是否同一設(shè)備，可以分成主動感知和被動感知。

主動連續(xù)波雷達(dá)需要工作在全雙工模式，如圖2(a)所示，基站能實現(xiàn)同時收發(fā)，這個功能要求當(dāng)前基站不能滿足，需要對硬件做一些修改。比如，可以在多天線TDD通信系統(tǒng)中，修改軟件實現(xiàn)不同天線同時收發(fā)，不需要修改當(dāng)前設(shè)備的硬件。

如果完全不改動當(dāng)前射頻設(shè)備，也可以通過被動感知的方式來增加感知能力。如圖2(b)所示，用一個基站發(fā)射，相鄰的基站接收。被動工作模式下，受限收發(fā)基站和目標(biāo)的相對角度、覆蓋、測角精度、噪聲抑制等方面存在很多問題，需要進一步研究。

圖2 主動感知與被動感知示意圖

主動感知工作在同時同頻全雙工模式，同時支持收發(fā)。當(dāng)前的無線通信系統(tǒng)共用收發(fā)天線，天線收發(fā)靠環(huán)形器和射頻開關(guān)隔離，環(huán)形器的隔離度不滿足感知需求。 解決這個問題的簡單方法是在有多個天線通道的射頻系統(tǒng)中，可以通過軟件配置感知業(yè)務(wù)，令一部分天線工作在發(fā)射模式，一部分天線工作在接收模式，實現(xiàn)全雙工。在收發(fā)天線之間需要較高的隔離度，避免發(fā)射信號造成接收通道阻塞。自收發(fā)隔離如圖3所示。

圖3 單站通信感知全雙工模式和收發(fā)天線隔離問題

提高天線隔離是一個綜合性的設(shè)計問題，可以通過收發(fā)天線分離，并拉開距離，優(yōu)化電磁設(shè)計，收發(fā)天線之間增加電磁結(jié)構(gòu)隔離等技術(shù)降低空口耦合；收發(fā)電路和天線機械結(jié)構(gòu)和共地去耦技術(shù)降低結(jié)構(gòu)耦合。對天線罩的優(yōu)化設(shè)計可以降低收發(fā)天線罩耦合。采用模擬干擾對消技術(shù)可以進一步提高端口隔離，降低收發(fā)干擾。

為了避免發(fā)射信號對接收通道的阻塞，發(fā)射直接耦合信號應(yīng)該AD轉(zhuǎn)換之前被抑制掉。在全雙工系統(tǒng)中，為了提升收發(fā)隔離，通常采用模擬對消技術(shù)。模擬對消需要用到大量的延遲和幅度相位調(diào)節(jié)鏈路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在通信感知一體化中，只需抑制第一個直接耦合徑，對消結(jié)構(gòu)相對簡單一些，只需要做單徑的幅度相位調(diào)整對消即可。

當(dāng)前基站的AD分辨率和采樣速率都比較高，在感知應(yīng)用領(lǐng)域可以獲得額外的處理增益已提高動態(tài)范圍。受益于總的動態(tài)范圍比較大，在很多應(yīng)用場景下，現(xiàn)有天線即可滿足應(yīng)用需求。重新設(shè)計天線可以獲得更好的探測能力，提高探測范圍和結(jié)果的可靠性。

4 通信感知一體化網(wǎng)絡(luò)融合

4.1 站址共享方案

站址是蜂窩系統(tǒng)的重要資產(chǎn)，為了感知增加站址意味著增加成本。如果能復(fù)用已有站址和設(shè)備完成感知業(yè)務(wù)會大大降低感知組網(wǎng)成本。第一章中分析了通信感知一體化的應(yīng)用場景，在場景1、2中，利用當(dāng)前已有的蜂窩基站站址存在一些困難。

圖4是當(dāng)前高速公路和鐵路的典型無線覆蓋方案，基站距離路比較遠(yuǎn)，站間距也比較遠(yuǎn)，超過了基站有效的電磁感知范圍。在這種部署情況下，探測精度有限，很難滿足車路協(xié)同和國鐵周界安全探測的精度要求。

圖4 交通場景建站示意圖

在交通和鐵路周界場景下，很可能會部署專網(wǎng)，比如智慧交通系統(tǒng)和鐵路專用網(wǎng)絡(luò)。在這種場景下，可以重新選擇站址，在已有站址基礎(chǔ)上增加一部分站址，在熱點地區(qū)可以先部署起來。

在場景3中，很多低空保護區(qū)是在機場周圍，地形條件往往是在郊區(qū)，基站站間距通常在2～5公里左右，如圖5所示。圖中五角星代表基站位置，圓圈代表1公里覆蓋半徑。從這個典型場景可以看到，對低空小型無人機的探測距離需要達(dá)到2.5公里左右才能利用現(xiàn)有站址對低空連續(xù)覆蓋。這個探測距離對當(dāng)前通信硬件平臺挑戰(zhàn)比較大。在無人機送貨場景下，更多的時城市場景，站間距一般在300～500米左右，這種場景下，可以隔幾個基站部署一個具有探測能力基站，比如1/4或1/16的基站，以降低探測組網(wǎng)成本和設(shè)備復(fù)雜度。

圖5 某機場周邊基站位置和覆蓋示意圖

4.2 組網(wǎng)干擾抑制

蜂窩通信系統(tǒng)的優(yōu)勢是單站價格低，通過組網(wǎng)實現(xiàn)大范圍無縫覆蓋。但對于感知來說，組網(wǎng)干擾的問題比較嚴(yán)重。感知網(wǎng)絡(luò)類似TDD異配比網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)中有些基站在發(fā)射，同時有些基站在接收，基站之間的干擾非常嚴(yán)重。TDD異配比特性很早標(biāo)準(zhǔn)上就能支持，但實際網(wǎng)絡(luò)部署困難重重，感知也面臨這些問題。

干擾可以分成以下幾類。

1)基站之間的直射信號阻塞干擾；

2)基站之間直射+反射信號干擾。

在TDD通信系統(tǒng)中，同一時刻所有基站都工作在下行或上行模式，站間不存在干擾，而在感知模式中，一部分基站或通道在發(fā)射模式，另外一部分基站或通道在接收模式，存在異配比干擾。通常在城市環(huán)境中，十幾公里之內(nèi)的基站都能相互干擾。通過時間錯開干擾資源開銷代價太大，由于遠(yuǎn)距離基站的干擾傳播時延問題，感知時隙會受到遠(yuǎn)處基站的干擾時通信信號干擾?？辗指蓴_規(guī)避，受限空間自由度，只能解決少數(shù)基站的干擾。

通信和感知組網(wǎng)干擾是一個需要研究的技術(shù)方向。從干擾角度來說，選擇毫米波做通信感知一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更合適。首先，毫米波當(dāng)前并未用于大規(guī)模商用通信，新的網(wǎng)絡(luò)不會對已有網(wǎng)絡(luò)造成干擾。其次，毫米波的傳播特性差，只要不是直射徑，傳播損耗大，站間干擾比較低，方向性好，干擾方向規(guī)避容易實現(xiàn)。5G毫米波頻譜已經(jīng)開始準(zhǔn)備發(fā)放，基于毫米波的通信和感知的需求也日趨成熟，在5G階段實現(xiàn)感知毫米波組網(wǎng)是可行的。

4.3 多站協(xié)同

在5G網(wǎng)絡(luò)中，基于C-RAN的多站協(xié)同廣泛使用，如Comp、用戶中心網(wǎng)絡(luò)。在感知方面，多站協(xié)同理論上可以擴大探測范圍，提高信噪比，提升探測精度，如圖6所示。在通信方面，分布式系統(tǒng)工作中會獲得終端的配合輔助，多站協(xié)同之前要先測量多個基站到終端的信道矩陣。而對于感知來說，被探測目標(biāo)不會反饋信息，無法事先獲得被測目標(biāo)的信道，并且往往環(huán)境中存在多個待探測目標(biāo)，理論上也無法同時提高對所有目標(biāo)的探測能力。在通信系統(tǒng)中，多個基站收到終端信號來自同一個天線端口，發(fā)射信號在各個方向上功率相位可能不同，但內(nèi)容是相同的。在感知系統(tǒng)中，多個基站協(xié)同探測一個目標(biāo)時，每個基站看到的時目標(biāo)的不同表面，因此回波的相位是不相參的，可以認(rèn)為是不同的目標(biāo)，很難通過相參處理提升探測能力。針對這種場景，可以先通過單部雷達(dá)測量目標(biāo)回波相位，然后在發(fā)射信號上對相位做補償，多部雷達(dá)協(xié)同探測提升信噪比。這種方式只能針對特定目標(biāo)跟蹤場景下使用。

圖6 多站探測目標(biāo)看到不同目標(biāo)表面示意圖

通過非相參多站協(xié)同，從不同的角度感知目標(biāo)，可以提升測量精度，降低覆蓋盲區(qū)，降低遮擋概率，從這個角度看，多站非相參協(xié)同更有價值。

蜂窩系統(tǒng)天然就是一個分布式系統(tǒng)，基于蜂窩的分布式感知相對單站方式有很大優(yōu)勢潛力。基于非相參的分布式系統(tǒng)可以提高定位精度，更好地利用分布式信息，探測范圍、分辨率和精度同步提升將會是一個熱點方向。

5 總結(jié)

通信感知一體化在學(xué)術(shù)界已經(jīng)討論了幾十年，其中最成熟的技術(shù)就是通信和感知測距共波形設(shè)計。受益于通信硬件平臺高EIRP，高采樣率，強大的基帶DSP能力，通信系統(tǒng)衍生出來的感知能力已經(jīng)超過了低成本的FMCW雷達(dá)。為了降低感知的開銷，不增加額外成本，還有很多技術(shù)問題需要進一步研究，如測速、測角、硬件一體化、網(wǎng)絡(luò)一體化及應(yīng)用一體化。本文從交通、鐵路周界和低空安全幾個場景出發(fā)，給出了基于5.5G通信感知一體化的挑戰(zhàn)和可行的解決方案。