楊 艷，李福昌，張忠皓（中國聯(lián)通研究院，北京 100048）

1 概述

6G是一種全新的網(wǎng)絡(luò)，將為用戶提供更加高性能的業(yè)務(wù)體驗，并將逐步向?qū)＞W(wǎng)全面化和公專網(wǎng)一體化方向發(fā)展。目前，業(yè)界已經(jīng)開始對6G的應(yīng)用場景和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究［1-5］。通感融合可以實(shí)現(xiàn)通信和感知的一體化，是6G技術(shù)專網(wǎng)應(yīng)用廣域化和普及化的體現(xiàn)，是典型2B業(yè)務(wù)以大規(guī)模全覆蓋新業(yè)態(tài)出現(xiàn)的具體體現(xiàn)方式［6-8］。從應(yīng)用需求來看，在通感融合的架構(gòu)下，可以通過廣泛的運(yùn)營商基站覆蓋實(shí)現(xiàn)感知的普及化，同時感知和通信一體化可以有效地促進(jìn)雙碳落地應(yīng)用。從技術(shù)可行性來看，隨著通信吞吐量需求的不斷提升，一方面采用大規(guī)模天線極大地豐富了空間信息資源的使用，可以滿足通信的需求，也可以進(jìn)行定位，這也為通感融合提供了新的可能；另一方面基站的頻率也向著高頻大帶寬方向發(fā)展，如毫米波和太赫茲，豐富的高頻帶寬和電波特性更加適合感知，為通信和感知提供了進(jìn)一步融合的可能。

通信和感知發(fā)展的進(jìn)程在5G前是相互獨(dú)立、相對平行的。在感知業(yè)務(wù)需求的激進(jìn)和通信向著2B 發(fā)展的總體趨勢下，通感融合應(yīng)運(yùn)而生。但是由于通信和感知在系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和評價指標(biāo)等方面都有極為明顯的差異性，因此在6G 通感融合中，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。

目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都對通感融合研究投入了高度的熱情。在標(biāo)準(zhǔn)方面，多家公司和高校都對通感融合標(biāo)準(zhǔn)化投入了大量的人力，并輸出了多份文稿。在學(xué)術(shù)方面，高校和科研機(jī)構(gòu)對通感融合的架構(gòu)設(shè)計［9-11］、波形設(shè)計［12-13］及通感融合在波束管理方面［14］都進(jìn)行了大量的研究，并逐步明確了通感融合的研究路線和關(guān)鍵技術(shù)。

2 6G通信感知融合的應(yīng)用場景

6G 時期的通感融合是一種全方位高度融合的應(yīng)用，其發(fā)展的極致水平是通信和感知行業(yè)的整合化或者合一化，因此在應(yīng)用場景上將出現(xiàn)逐步漸變?nèi)诤锨闆r。從現(xiàn)在的研究來看，較為主流的應(yīng)用場景分類有2 類：一類是按照促進(jìn)通信或者感知的角度區(qū)分，一類是按照覆蓋范圍進(jìn)行區(qū)分。

2.1 按照促進(jìn)通信或者感知的角度區(qū)分

按照促進(jìn)通信或者感知的角度進(jìn)行場景分類，一般分為通信輔助感知場景和感知輔助通信場景。

a）通信輔助感知場景：在這類場景中，是通過現(xiàn)有的通信設(shè)施或者網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行感知，在這種場景可以認(rèn)為是使用或者讓渡出通信的資源進(jìn)行感知服務(wù)，是一種通信網(wǎng)絡(luò)的感知業(yè)務(wù)保障場景，如圖1所示，包含的主要場景有智慧城市管理、智慧工廠、智慧交通和醫(yī)療健康，其中還可以進(jìn)一步細(xì)化為多種子應(yīng)用。

圖1 通信輔助感知場景

b）感知輔助通信。這是將感知獲得的信息進(jìn)行處理后，進(jìn)一步優(yōu)化基站性能，可以認(rèn)為是基于感知的無線網(wǎng)絡(luò)智能化調(diào)整。目前主要的應(yīng)用場景有波束管理、功率控制、資源智能化協(xié)調(diào)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方法，圖2給出了一些應(yīng)用的示意。

圖2 感知輔助通信

2.2 按照覆蓋范圍進(jìn)行場景劃分

按照覆蓋范圍進(jìn)行場景劃分，可以分為廣域和局域場景。

a）廣域場景。廣域場景通常可以認(rèn)為是覆蓋范圍較廣，但是可能對感知的精度、頻譜利用率要求不高，存在設(shè)備功率限制的場景，如智慧城市管理、高鐵周邊環(huán)境、高速運(yùn)行的自動駕駛車輛、天氣監(jiān)控等。

b）局域場景。而局域場景則是更加注重短距離或者有明確界限的通感融合場景，這類場景普遍對感知精度和通信容量要求等較高，如園區(qū)類場景。

3 6G通信感知融合的愿景

6G 通感融合需要打造通感融合的智能系統(tǒng)，通過將通信、感知、算力等因素基因化再進(jìn)行智能基因重組，實(shí)現(xiàn)智能化、融合化、低碳化、高效能化的全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和系統(tǒng)。

6G 通感融合不能僅考慮通信的指標(biāo)，還需考慮感知的指標(biāo)。因此在6G通感融合中，需要打造通感融合的基因工程，通過打通感知、通信的關(guān)鍵指標(biāo)、判別標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵技術(shù)，并以AI/ML 等智能化技術(shù)進(jìn)行多維基因片段的高效重組和結(jié)合，實(shí)現(xiàn)最佳最平衡的6G通感融合系統(tǒng)。

6G 通感融合將呈現(xiàn)出通信和感知需求、架構(gòu)和技術(shù)逐漸融合的過程，這個演變過程與人類基因重組的過程類似，從完全獨(dú)立，到部分結(jié)合再到完全融合，因此使用“6G 通感融合基因工程”可以較為清晰地描述6G 通感融合的初衷和理念。而在6G 通感融合中，需要對需求融合的場景和需求進(jìn)行細(xì)化，并在場景和需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行不同層次的架構(gòu)思量，還需要對融合后的典型技術(shù)進(jìn)行分析和研究，最終實(shí)現(xiàn)通感融合的雙向促進(jìn)目標(biāo)。通感融合的基因工程示意如圖3 所示。

圖3 通感融合基因工程

在不同的通感融合階段，使用的技術(shù)及研究內(nèi)容也存在差異性。如果從移動通信發(fā)展的軌跡來看，5G-A 將是6G 通感融合的初步體驗階段，在該階段主要完成漸變?nèi)诤?；?G 通感融合將是智能全融合階段，在該階段會將架構(gòu)、技術(shù)進(jìn)行深入融合。下面對漸變?nèi)诤想A段和智能全融合階段可能用到的典型技術(shù)進(jìn)行描述。

3.1 漸變?nèi)诤想A段

在通信和感知初步融合階段，會呈現(xiàn)出2 個維度的融合模式：一是以通信為原始出發(fā)點(diǎn)，在現(xiàn)有的通信架構(gòu)基礎(chǔ)上，融入可以實(shí)現(xiàn)的感知功能，其目標(biāo)是在不改動或輕微改動移動通信的設(shè)備功能的前提下，實(shí)現(xiàn)部分感知功能，其中比較有代表性的有定位和毫米波雷達(dá)；二是在現(xiàn)有感知或者雷達(dá)的基礎(chǔ)上，添加通信相關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)通感融合。但是從總體的發(fā)展趨勢來看，基于通信的通感融合網(wǎng)絡(luò)更容易實(shí)現(xiàn)且覆蓋廣泛。

在該階段比較常見的技術(shù)包括通感一體的極簡化架構(gòu)、感知信號處理技術(shù)和超大規(guī)模天線技術(shù)。

a）通感一體的極簡化架構(gòu)：這類架構(gòu)的研究主要是在現(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過空口的簡單改造和網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元的局部增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)可以快速部署的5GA和6G初期的通感融合功能。

b）感知信號處理技術(shù)：對移動網(wǎng)絡(luò)中可以獲取的感知信息進(jìn)行處理，一般是通過基站發(fā)送數(shù)據(jù)基站收取數(shù)據(jù)、終端發(fā)送數(shù)據(jù)基站收取數(shù)據(jù)的方式，進(jìn)行通信和感知數(shù)據(jù)的傳輸，而在基站接收數(shù)據(jù)后，感知網(wǎng)元進(jìn)行相關(guān)感知業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分析，一般采用AL 和ML進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

c）超大規(guī)模天線技術(shù)：主要指目前5G 通信的AAU 等基站設(shè)備的大規(guī)模天線技術(shù)，通過收取基站發(fā)送信號的回波信號并聯(lián)合發(fā)送信號進(jìn)行感知數(shù)據(jù)獲取，或通過終端上報的發(fā)射角、到達(dá)角、多普勒頻偏等進(jìn)行感知數(shù)據(jù)獲取。

3.2 智能全融合階段

智能全融合階段的通感融合是從架構(gòu)、空口和數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行全面的通信和感知融合，是通感融合的發(fā)展目標(biāo)。該階段的通信和感知的系統(tǒng)是合一的、統(tǒng)一的、高效的，是通信、感知和算力融合化且相互輔助的。

智能全融合階段可能涉及的技術(shù)包括面向6G 通感算一體的架構(gòu)、面向通感一體的6G 波形、面向通感一體的6G 分布式超大規(guī)模天線、面向通感一體的6G通信感知處理技術(shù)、面向通感一體的智能反射表面（IRS）技術(shù)、面向通感一體的6G 服務(wù)開發(fā)平臺等。下面將選取其中幾種典型的技術(shù)進(jìn)行介紹。

a）6G通感算一體的架構(gòu)：這是一種顛覆現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的通感一體化架構(gòu)，可以在6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行感知網(wǎng)元的單一部署或者多網(wǎng)元多維部署，感知信息的獲取和處理是集中式或者分布式，感知的設(shè)備可以是終端也可以是基站，因此通感一體化架構(gòu)將符合多獲取來源、處理能力多重化等新型特性。

b）面向通感一體的6G 波形：通信和感知融合后，現(xiàn)在的波形將無法滿足其雙重部署需求，因此一體化波形設(shè)計成為通信感知融合中一個較為重要的技術(shù)。通感一體化波形的設(shè)計，可以從理論的角度入手，并結(jié)合應(yīng)用的需要，開發(fā)出最適合通信和感知一體化的波形，從根本上滿足通感融合的要求。

c）面向通感一體的IRS 技術(shù)：IRS 是一種很有前途的解決方案，用來控制如散射、反射和折射等的無線電通道特性。具有固定電磁特性的IRS 以前已經(jīng)被用于雷達(dá)和衛(wèi)星通信，但直到最近才在移動通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。IRS的工作示意如圖4所示［15］。

圖4 IRS的工作示意圖

對通感融合系統(tǒng)來說，IRS 更多地是實(shí)現(xiàn)感知輔助通信的功能，可以通過逐步迭代更新的定位或者感知獲取信道的變化情況，進(jìn)而IRS 基于感知反饋動態(tài)調(diào)整相位、振幅、頻率和極化等參數(shù)來塑造和控制環(huán)境的電磁響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對干擾的調(diào)整及遮擋物的避讓，實(shí)現(xiàn)通信吞吐量和時延的提升。同時在感知過程中，通過IRS 進(jìn)行智能化中繼，可以較好地實(shí)現(xiàn)感知信號的收取。

4 總結(jié)

通信和感知一體化或者融合是一個循序漸進(jìn)的過程，需要研究的內(nèi)容很豐富，但是它可以有效提升通信的質(zhì)量，也可以實(shí)現(xiàn)無接觸感知，是未來一個比較有潛力的技術(shù)發(fā)展方向，需從架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行研究。通感融合并不存在對其中任何一個行業(yè)吞噬的可能，未來的通感一體技術(shù)將是一個開放的、互助的良性發(fā)展的全行業(yè)生態(tài)圈。