索士強(qiáng)，許盛浩,2，曾婷,3，龔秋莎，王可

（1. 中信科移動通信技術(shù)股份有限公司， 北京 100083；2. 電信科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100191； 3. 北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

0 引言

近年來，通信感知一體化技術(shù)備受業(yè)界關(guān)注[1-6]，已經(jīng)成為6G研究的重點方向之一。2021年4月，IMT-2030（6G）推進(jìn)組成立通信感知一體化任務(wù)組，并于同年9月發(fā)布《通信感知一體化技術(shù)研究報告》[7]。2022年6月，國際電信聯(lián)盟無線電通信部門5D工作組（ITU-R BP5D）完成面向2030年及未來的技術(shù)趨勢研究工作，通信感知一體化技術(shù)成為新興技術(shù)趨勢之一[8]。2022年7月，IMT-2030（6G）推進(jìn)組發(fā)布《6G典型場景和關(guān)鍵能力》白皮書[9]，將通信感知融合確定為6G五大典型場景之一。

在通信系統(tǒng)中融入無線感知技術(shù)，可以提升6G系統(tǒng)能力、豐富6G應(yīng)用場景，更好地服務(wù)于產(chǎn)業(yè)升級、社會治理和智慧生活等千行百業(yè)的需求[7-11]。眾多面向行業(yè)的通感一體化用例已經(jīng)被挖掘出來，包括產(chǎn)業(yè)升級領(lǐng)域中的位置感知、接近檢測、缺陷檢測、無人監(jiān)控、環(huán)境重構(gòu)、數(shù)字孿生等，社會治理領(lǐng)域的環(huán)境監(jiān)測、危險物品探測等，智慧生活領(lǐng)域的手勢和動作識別、安防監(jiān)控、行為監(jiān)測、健康監(jiān)測等。

通信與感知融合可以采用服務(wù)化的方式，即將無線感知作為一種新型服務(wù)內(nèi)生到6G網(wǎng)絡(luò)中。在此基礎(chǔ)上，業(yè)界正在探討如何在空口層面進(jìn)行通信與感知的融合，其主要的研究方向是通信與感知一體化信號設(shè)計[12-17]，較少涉及通感空口融合的無線電接入網(wǎng)（ra2io access network，RAN）方案。本文在對通感空口融合的必要性分析的基礎(chǔ)上，提出了一種面向6G的通感空口融合的無線電接入網(wǎng)方案，包括整體框架、通感信號復(fù)用方案、通感一體化信號設(shè)計實例等，并指出通感空口融合將對6G空口協(xié)議棧設(shè)計提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1 通感空口融合必要性分析

通信與感知的融合一方面可以提升6G系統(tǒng)的服務(wù)能力，為未來6G系統(tǒng)商用提供創(chuàng)造更多新型應(yīng)用的可能性；另一方面，在空口層面進(jìn)行通感融合可以形成互利互惠的新型無線頻譜使用方法，從而有效提升無線頻譜的利用率。具體表現(xiàn)為無線感知輔助通信性能提升、多節(jié)點協(xié)作輔助感知性能提升以及通感大時空尺度聯(lián)合調(diào)度對頻譜資源的高效利用。

（1）無線感知輔助通信性能提升

現(xiàn)有通信系統(tǒng)已經(jīng)具備基本的無線感知能力，比較典型的是信道估計以及基于信道估計所衍生的測量和決策能力，包括功率控制、鏈路自適應(yīng)等。無線移動通信系統(tǒng)可以基于信道估計值在時域、頻域和空域上的相關(guān)性，對無線信道的變化進(jìn)行推斷和預(yù)測，但是由于信道估計所獲得信道狀態(tài)信息是外部環(huán)境對無線信號影響的綜合體現(xiàn)，很難推斷出其具體是外部環(huán)境的哪些變化引起的。當(dāng)通信的一方（如基站）具備雷達(dá)感知功能時，可以對無線移動通信中的環(huán)境進(jìn)行更為細(xì)致的感知，獲知無線信道變化的根因，從而做出更精確的推斷和預(yù)測，這被認(rèn)為是無線感知輔助通信性能提升的基本出發(fā)點。比較典型的用例包括以下幾個。

· 根據(jù)感知到的人群變化情況以及具體位置，預(yù)測通信節(jié)點的時頻資源需求，提高無線資源的動態(tài)分配準(zhǔn)確率。

· 根據(jù)感知到的物體/散射體移動的速度，更精確地判斷通信信號的時域相關(guān)性，進(jìn)行信道估計/檢測算法的動態(tài)選擇或動態(tài)調(diào)整參考信號的時域密度。

· 根據(jù)感知到的物體/散射體的數(shù)量的變化，更精確地判斷通信多徑的增減情況，進(jìn)行信道估計/檢測算法的動態(tài)選擇或動態(tài)調(diào)整信道狀態(tài)信息（channel state information，CSI）反饋的頻域密度。

· 結(jié)合目標(biāo)終端的高精度定位以及移動路徑的預(yù)測，判斷通信環(huán)境中對通信信號的遮擋情況，及時調(diào)整為其服務(wù)的收發(fā)點。

（2）多節(jié)點協(xié)作輔助感知性能提升

復(fù)用6G移動通信系統(tǒng)豐富的站址資源，可以部署更多的具有無線感知功能的無線節(jié)點，相比于傳統(tǒng)的單站雷達(dá)更容易獲得精準(zhǔn)的、全方位的感知信息，從而達(dá)到利用多節(jié)點協(xié)作輔助感知性能提升的目的。多節(jié)點協(xié)作感知一方面表現(xiàn)為可以對多個無線節(jié)點所獲得的無線感知數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚、分析，從而可以快速地尋找、定位目標(biāo)物體，并進(jìn)行識別或成像；另一方面，還可以通過通信鏈路將感知數(shù)據(jù)或感知后形成的指令快速地傳遞給用戶，從而更好地服務(wù)于未來對時延要求嚴(yán)格的感知應(yīng)用。

（3）通感大時空尺度聯(lián)合調(diào)度

由于無線通信和無線感知面向的服務(wù)對象不同，針對同一個通信用戶，同時同頻提供通信與感知服務(wù)的概率很低。特別地，無線感知主要面向物與環(huán)境的感知，通常發(fā)生在人員稀少的情況下，如無人監(jiān)控、入侵檢測等，此時通信需求較少。因此，可以通過大時空尺度調(diào)度的方式將無線感知業(yè)務(wù)安排在通信需求較小的時間（如夜晚）或空間（如無人工廠），從而整體上提高系統(tǒng)的頻譜利用率；或者說，當(dāng)兩個獨立的無線感知系統(tǒng)和通信系統(tǒng)進(jìn)行融合后，利用通感大時空尺度聯(lián)合調(diào)度，各自的工作帶寬都可以獲得提升，從而提升了系統(tǒng)的峰值性能（峰值速率和感知精度）。

綜上所述，在空口層面進(jìn)行通感融合可以有效地提高系統(tǒng)的頻率利用率。特別地，通感融合為移動通信系統(tǒng)提供了額外的數(shù)據(jù)來源，這為通過人工智能的方法獲得更優(yōu)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型提供了可能。一種通信-感知-計算一體化的AI訓(xùn)練/推斷框架如圖1所示。其中，機(jī)器學(xué)習(xí)模型的輸入不僅包括現(xiàn)有通信系統(tǒng)可以獲取的訓(xùn)練/推斷數(shù)據(jù)，也包括無線感知所獲得的感知數(shù)據(jù)。

圖1 一種通信-感知-計算一體化的AI訓(xùn)練/推斷框架

2 通感空口融合無線電接入網(wǎng)方案

一種通感空口融合無線電接入網(wǎng)整體框架如圖2所示。

圖2 一種通感空口融合無線電接入網(wǎng)整體框架

其中，基站側(cè)可以部署通信分布式單元、感知分布式單元以及通感一體化分布式單元，基站和終端所獲得的無線感知原始數(shù)據(jù)上報給集中式單元中的通感算服務(wù)模塊，生成給上層應(yīng)用的數(shù)據(jù)遞交給核心網(wǎng)或直接在無線電接入網(wǎng)側(cè)提供服務(wù)，同時生成輔助通信的服務(wù)數(shù)據(jù)支持無線感知輔助通信功能。通感算服務(wù)模塊的一個重要功能是執(zhí)行多個分布式單元之間的協(xié)作感知，利用移動通信系統(tǒng)的蜂窩架構(gòu)獲得更好的感知性能。同時，通感算服務(wù)模塊還具備基于感知數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練和/或推斷能力，為通信系統(tǒng)內(nèi)部提供更好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型或更優(yōu)的推斷結(jié)果。

無線通信與無線感知可以多載波的方式進(jìn)行空口融合，即感知分布式單元和通信分布式單元可以使用不同的載波，這樣不僅充分發(fā)揮不同載波的特性，還有利于在獨立的無線感知載波上設(shè)計通感融合新型空口。特別地，由于無線感知所識別出的是通信環(huán)境中物體分布及變化情況，因此具備利用與通信不相同的載波進(jìn)行無線感知獲得環(huán)境信息，并對通信載波的多普勒擴(kuò)展、時延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展等信息進(jìn)行推斷的可能性。換而言之，通過毫米波或太赫茲頻段進(jìn)行無線感知，利用其對低頻段的通信環(huán)境信息進(jìn)行推斷，可以進(jìn)一步節(jié)省出更多優(yōu)質(zhì)的無線通信資源。

無線通信與無線感知也可以在同一個載波上采用時頻復(fù)用的方式進(jìn)行融合，即通感一體化分布式單元中無線通信與無線感知共享同一個載波，兩者采用時頻復(fù)用的方式。由于無線通信和無線感知面向的服務(wù)對象不同，針對同一個通信用戶，同時同頻提供通信與感知服務(wù)的概率很低，因此時頻復(fù)用的方式即可滿足基本需求。在同一載波上通過時頻復(fù)用的方式進(jìn)行通信與感知的融合，還可以獲得通感大時空尺度聯(lián)合調(diào)度的增益。

在多載波融合、時頻復(fù)用融合的基礎(chǔ)上，為了獲得更高的無線資源利用率，業(yè)界眾多研究集中在通信感知一體化信號設(shè)計方面?？紤]到無線感知業(yè)務(wù)和無線通信業(yè)務(wù)的相對獨立性，本文提出將無線感知功能與無線通信系統(tǒng)中的周期性信道/信號進(jìn)行融合的方案，即對通信系統(tǒng)中的廣播信道、同步信號、公共參考信號等周期性信道/信號進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提升其無線感知能力，同時滿足通信和感知需求。比如，針對同步信號塊（synchronization signal block，SSB）進(jìn)行通感一體化優(yōu)化設(shè)計，利用SSB的全小區(qū)覆蓋的特性，通過接收SSB的回波信號進(jìn)行全小區(qū)范圍內(nèi)的雷達(dá)掃描，且不影響終端通過接收SSB完成同步和廣播信息獲取。無線通信與無線感知信號空分復(fù)用方式如圖3所示，其中一個波束用于雷達(dá)掃描，另外一個波束用于無線通信。在不同的通信/感知時刻，通信波束方向相對固定，雷達(dá)波束需要根據(jù)掃描需要調(diào)整方向，進(jìn)行波束成形時需要同時滿足兩者需求；特別地，當(dāng)通信需求不存在時，僅存在雷達(dá)波束。

圖3 無線通信與無線感知信號空分復(fù)用方式

目前，通感空口融合在技術(shù)突破、硬件實現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)化方面還面臨諸多挑戰(zhàn)。在本文提出的通感空口融合的無線電接入網(wǎng)方案的基礎(chǔ)上，需要結(jié)合無線通信與無線感知的信號復(fù)用方式，對無線感知輔助通信性能提升、多節(jié)點協(xié)作輔助感知性能提升、通感大時空尺度聯(lián)合調(diào)度的具體方法進(jìn)行深入研究并形成技術(shù)突破，以確保無線頻譜利用率的有效提升。由于無線通信與無線感知對頻譜的要求不盡相同，本文提出的通感空口融合無線電接入網(wǎng)方案可以跨越厘米波、毫米波和太赫茲等頻率范圍，并支持極大的載波帶寬和同時同頻全雙工，這對感知分布式單元和通感一體化分布式單元的硬件實現(xiàn)提出了挑戰(zhàn)。特別的，通感一體化的空口融合將會對6G空口協(xié)議棧的設(shè)計產(chǎn)生較大的影響。4種典型無線感知鏈路如圖4所示，其中基站自發(fā)自收鏈路和基站只收不發(fā)鏈路分別與傳統(tǒng)的主動感知和被動感知對應(yīng)，這兩種鏈路不需要終端的參與；而傳統(tǒng)的無線通信鏈路協(xié)議棧在基站和終端側(cè)均存在對等的協(xié)議層。基站發(fā)/終端收和終端發(fā)/基站收兩種無線感知鏈路，因需要事先約定或交互無線感知所使用的時頻資源，也被稱為交互感知。在交互感知鏈路中，雖然終端參與其中，但是無線感知的目的并不是恢復(fù)發(fā)送端的信息比特，因此基站和終端側(cè)也不存在對等的協(xié)議層。這對如何設(shè)計滿足通信感知一體化需求的空口協(xié)議棧提出了挑戰(zhàn)，一種可能的方案是構(gòu)造新型的無線通感承載支持全新的協(xié)議棧設(shè)計，屏蔽其對傳統(tǒng)通信協(xié)議棧的影響；另外一種可能的方案是采用RAN服務(wù)化架構(gòu)、通過內(nèi)生服務(wù)的方式進(jìn)行無線感知/通感一體化信號的發(fā)送與接收。

圖4 4種典型無線感知鏈路

3 結(jié)束語

本文對通感空口融合必要性進(jìn)行了分析，指出通感空口融合不僅可以提升6G系統(tǒng)的服務(wù)能力，還可以有效提升無線頻譜的利用率，具體表現(xiàn)為無線感知輔助通信性能提升、多節(jié)點協(xié)作輔助感知性能提升以及通感大時空尺度聯(lián)合調(diào)度對頻譜資源的高效利用。同時，本文提出了一種通感空口融合無線電接入網(wǎng)整體框架，并對無線通信與無線感知的多載波融合和時頻復(fù)用融合方案以及一體化信號設(shè)計進(jìn)行了探討，為進(jìn)一步開展通感空口融合的研究提供參考。