胡杰 楊鯤

(電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，成都 611731)

0 引言

未來(lái)智慧城市、智慧交通、智慧工業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)等重大應(yīng)用，需要廣泛部署的大規(guī)模傳感設(shè)備提供的海量環(huán)境、狀態(tài)信息支持。首先，未來(lái)6G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要滿足海量數(shù)據(jù)由“端(傳感設(shè)備)”到“邊(接入基站)”的可靠傳輸；其次，未來(lái)6G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)還需要完成原始數(shù)據(jù)的清洗與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)環(huán)境態(tài)勢(shì)感知。數(shù)據(jù)的可靠傳輸和環(huán)境態(tài)勢(shì)的精準(zhǔn)感知，是實(shí)現(xiàn)智能管理、智能操控、智能制造、智能生產(chǎn)的關(guān)鍵要素。因此，未來(lái)6G將成為集通信、感知和計(jì)算功能為一體的全功能移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。但為完成海量數(shù)據(jù)的傳輸與計(jì)算，接入基站側(cè)和傳感設(shè)備側(cè)均需要消耗巨大的能量，嚴(yán)重影響通信感知計(jì)算任務(wù)的可持續(xù)執(zhí)行。

為有效減少移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的“碳排放”，以節(jié)能減排為目標(biāo)的綠色設(shè)計(jì)包括傳統(tǒng)的綠色通信技術(shù)，以及新興的綠色計(jì)算和綠色感知技術(shù)。

(1)綠色通信技術(shù)。隨著未來(lái)6G移動(dòng)通信系統(tǒng)向高頻演進(jìn)，通信基站需要支持大規(guī)模陣列天線及相應(yīng)的硬件，能量消耗大幅增加。綠色通信技術(shù)通常以如下目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)：滿足用戶通信服務(wù)質(zhì)量需求的前提下，降低發(fā)射機(jī)能量消耗；定義能量譜效率，關(guān)注單位能量所能獲得的通信頻譜效率，并以最大化該性能作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。英國(guó)的學(xué)者[1]對(duì)使用大規(guī)模天線陣列作為射頻前端的用戶設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合硬件設(shè)計(jì)，包括功率放大器、可調(diào)濾波器以及陣列天線，可大幅度降低用戶設(shè)備的通信能耗。德國(guó)的學(xué)者[2]利用可重構(gòu)智能反射面進(jìn)行無(wú)線傳播環(huán)境控制，通過(guò)聯(lián)合設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)波束賦形，反射面發(fā)射波束賦形，實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)發(fā)送功率的最小化，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，并滿足通信用戶的服務(wù)質(zhì)量需求。

(2)綠色計(jì)算技術(shù)。目前，移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展迅速，通過(guò)計(jì)算任務(wù)卸載以及云—邊—端計(jì)算協(xié)同的方式，徹底解決了微小設(shè)備算力不足的窘境。但大規(guī)模計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行，涉及到計(jì)算能耗的開銷，以及輔助協(xié)作計(jì)算的通信過(guò)程能量開銷。因此，在計(jì)算技術(shù)尤其是邊緣計(jì)算技術(shù)中實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能，迫在眉睫。印度的學(xué)者[3]提出一種面向健康服務(wù)的綠色移動(dòng)邊緣技術(shù)，輔助無(wú)線體域網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行任務(wù)計(jì)算。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種綠色的計(jì)算任務(wù)卸載方案，以及一種獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)體域網(wǎng)用戶在本地完成協(xié)作計(jì)算，這樣這些用戶就不用把計(jì)算任務(wù)卸載至移動(dòng)邊緣，節(jié)省了卸載能耗。上?？萍即髮W(xué)的學(xué)者[4]提出了一種基于在線學(xué)習(xí)和在線控制的計(jì)算任務(wù)卸載方案用于服務(wù)邊緣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。他們提出了一種匪徒學(xué)習(xí)算法和虛擬隊(duì)列技術(shù)，實(shí)現(xiàn)邊緣系統(tǒng)的時(shí)間平均能量消耗的最小化。廣州大學(xué)的學(xué)者[5]提出了一種綠色移動(dòng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)，可以抵御來(lái)自無(wú)人機(jī)的惡意攻擊。他們提出了一種基于深度增強(qiáng)學(xué)習(xí)的算法，在保證通信計(jì)算安全的前提下，有效降低計(jì)算任務(wù)卸載的時(shí)延和能量消耗。

(3)綠色感知技術(shù)。大規(guī)模低功耗物聯(lián)設(shè)備在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中廣泛部署，執(zhí)行多種環(huán)境感知任務(wù)，并上傳感知數(shù)據(jù)。這類設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸功能通常由電池供電。降低通信感知能耗，成為延長(zhǎng)設(shè)備壽命的重中之重。深圳大學(xué)的學(xué)者[6]提出了一種基于被動(dòng)反向散射的通信感知一體化技術(shù)，可以使得物聯(lián)設(shè)備以超微功耗進(jìn)行工作，并應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療、智慧交通等重大場(chǎng)景中。印度的學(xué)者[7]提出了一種基于虛擬傳感器構(gòu)型技術(shù)的傳感云系統(tǒng)。他們通過(guò)博弈論的算法完成傳感云構(gòu)建，將傳感服務(wù)的能量消耗降低了25%以上，并提升傳感服務(wù)提供商的收益達(dá)38%。為降低圖像傳感設(shè)備能耗，廣州大學(xué)的學(xué)者[8]提出了一種基于平行混沌系統(tǒng)的圖像壓縮算法，有效降低圖像感知服務(wù)的能耗，提升了感知設(shè)備的運(yùn)行壽命。

(4)無(wú)線射頻能量傳輸技術(shù)。無(wú)線射頻信號(hào)可以有效地將能量傳遞至遠(yuǎn)場(chǎng)范圍，可以為大規(guī)模部署的物聯(lián)傳感設(shè)備提供按需、可控、靈活的無(wú)線充電服務(wù)，已經(jīng)成為提升傳感設(shè)備使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。國(guó)內(nèi)學(xué)者Hu等[9]率先在國(guó)際上提出無(wú)線數(shù)據(jù)與能量一體化通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并首次揭示其中蘊(yùn)含的信息論原理、物理層機(jī)理、MAC層機(jī)制以及網(wǎng)絡(luò)層策略。他們同樣發(fā)現(xiàn)了編碼和調(diào)制策略對(duì)無(wú)線數(shù)能一體化傳輸?shù)挠绊慬10]，并發(fā)明了基于Unary Code的數(shù)能編碼新機(jī)制和基于星座圖重構(gòu)的多用戶數(shù)能調(diào)制方案[11-12]。許多國(guó)外研究者利用傳能波形不同的PAPR值攜帶信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)能一體化波形設(shè)計(jì)。例如，韓國(guó)學(xué)者Kim率先提出PAPR調(diào)制的概念[13]。希臘學(xué)者Krikidis等提出利用合成能量信號(hào)所用的不同正弦波數(shù)目進(jìn)行信息調(diào)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)能一體化傳輸[14]。韓國(guó)學(xué)者Im等[15]利用合成能量信號(hào)的正弦波數(shù)目和能量信號(hào)幅度進(jìn)行二維調(diào)制設(shè)計(jì)數(shù)能一體化傳輸波形。中國(guó)學(xué)者Hu等[16]利用多蜂窩基站之間的協(xié)作，有效降低蜂窩小區(qū)間干擾，提升通信性能。

然而通信、感知和計(jì)算三者是密不可分的整體，它們之間的耦合關(guān)系將極大影響綠色節(jié)能設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有研究缺乏對(duì)于三者之間本質(zhì)關(guān)系的思考，缺乏對(duì)于通信感知計(jì)算一體化系統(tǒng)中的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)。并且無(wú)線射頻能量傳輸，作為一種針對(duì)微小物聯(lián)傳感設(shè)備的能量補(bǔ)給方案，并未與通信感知計(jì)算深度結(jié)合。因此，針對(duì)一體化系統(tǒng)的節(jié)能減排策略，以及額外的能量補(bǔ)充策略，亟需機(jī)理性支撐。

物聯(lián)傳感設(shè)備需要將單體感知結(jié)果上傳匯聚節(jié)點(diǎn)，并由匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算判斷，從而得到準(zhǔn)確的環(huán)境感知信息。與此同時(shí)，物聯(lián)設(shè)備也需要將非協(xié)作感知信息上傳。由此產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)中的通信、感知、計(jì)算的一體化設(shè)計(jì)需求。為構(gòu)建綠色的通—感—算融合機(jī)理，本文的主要貢獻(xiàn)如下。

? 采用空中計(jì)算的概念，利用無(wú)線信道的廣播特性，簡(jiǎn)化感知計(jì)算流程，大幅度減少通信與計(jì)算的能耗。

? 采用靈活的無(wú)人機(jī)部署，有效降低傳感設(shè)備到匯聚節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)傳播損耗，并采用機(jī)載計(jì)算功能輔助物聯(lián)傳感設(shè)備得到精準(zhǔn)感知結(jié)果，降低設(shè)備通信與計(jì)算能耗。

? 除上述“節(jié)流”措施之外，還采用“開源”措施，依靠無(wú)線射頻供電技術(shù)，減少微小物聯(lián)傳感設(shè)備對(duì)自身電池能量的消耗，提升群體感知系統(tǒng)壽命。

1 空中計(jì)算——縮短感知計(jì)算流程

大規(guī)模物聯(lián)傳感設(shè)備已經(jīng)廣泛部署用于高精度環(huán)境感知。針對(duì)非協(xié)作單體感知，如環(huán)境視頻監(jiān)控，視頻監(jiān)控器需要將視頻流上傳，完成監(jiān)控任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，汽車需裝配具備不同感知任務(wù)的傳感器，采集汽車各類狀態(tài)信息并完成信息上傳。因此，大量感知信息需要利用有限的頻譜資源上傳至基站，并會(huì)消耗大量的傳感器電池能量。

圖1 傳統(tǒng)感知通信計(jì)算流程(a)與空中計(jì)算流程(b)的對(duì)比

部署在同一環(huán)境中的傳感設(shè)備，針對(duì)同一環(huán)境信息如溫度、濕度等，會(huì)收集到波動(dòng)性感知結(jié)果。單體感知結(jié)果無(wú)法提供準(zhǔn)確的感知信息。多個(gè)物聯(lián)傳感設(shè)備可共同執(zhí)行同一感知任務(wù)，進(jìn)行協(xié)作群體感知，提升感知精度。通常情況下，參加群體感知的物聯(lián)傳感設(shè)備需要將各自的感知結(jié)果上傳至網(wǎng)絡(luò)邊緣匯聚節(jié)點(diǎn)，如帶有計(jì)算功能的基站。之后由基站對(duì)收集到的海量感知數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，得到感知結(jié)果。例如，為了獲得某一區(qū)域的準(zhǔn)確溫、濕度信息，基站可以將收集得到的感知結(jié)果進(jìn)行平均運(yùn)算。上述傳統(tǒng)的群體協(xié)作感知存在兩大不足：大規(guī)模傳感設(shè)備需要大規(guī)模正交通信資源完成各自感知信息的上傳，并消耗傳感設(shè)備自身能量完成通信上傳；為了獲得最終感知結(jié)果，在收集到所有設(shè)備的感知信息后，基站需耗費(fèi)自身能量進(jìn)行邊緣計(jì)算。完整過(guò)程如圖1所示。

為了提升感知、通信、計(jì)算過(guò)程的頻譜效率和能量效率，可采用空中計(jì)算(Over-the-Air Computation)技術(shù)完成群體協(xié)作感知。如圖 1(b)所示，在空中計(jì)算過(guò)程中，參與群體協(xié)作感知的設(shè)備將自身感知結(jié)果在同一資源塊內(nèi)，采用非正交共享模式，進(jìn)行同時(shí)發(fā)送?；緜?cè)即可接收到復(fù)合信號(hào)。如果傳感設(shè)備能夠?qū)ψ陨砀兄Y(jié)果進(jìn)行預(yù)處理(類似通信過(guò)程中的預(yù)編碼)，那么經(jīng)過(guò)空中復(fù)合后，基站得到的復(fù)合信號(hào)就可以是這些感知結(jié)果的加和、算術(shù)平均、幾何平均等具體數(shù)值。因此，空中計(jì)算技術(shù)具備如下兩大優(yōu)勢(shì)：無(wú)需正交資源，即可完成感知通信和計(jì)算的完整流程，提升感知、通信、計(jì)算頻譜效率；無(wú)需耗費(fèi)基站測(cè)能量和算力進(jìn)行感知計(jì)算，提升感知、通信、計(jì)算的能量效率和算力效率。采用空中計(jì)算技術(shù)，在整個(gè)感知、通信、計(jì)算流程中，唯一消耗的只有傳感設(shè)備自身能耗。因此，感知通信計(jì)算系統(tǒng)中采用空中計(jì)算技術(shù)，可以有效降低物聯(lián)傳感設(shè)備能量消耗，優(yōu)化設(shè)計(jì)通關(guān)算一體化策略。

在6G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)裝備有N根天線的基站和K個(gè)裝備有M根天線的多模物聯(lián)設(shè)備(見圖 2)，每一個(gè)物聯(lián)設(shè)備需要執(zhí)行兩種任務(wù)，分別是非協(xié)作感知信息上傳和協(xié)作感知信息上傳。其中，第k個(gè)物聯(lián)設(shè)備共生成L個(gè)協(xié)作感知符號(hào)，構(gòu)成向量dk=[dk,1,dk,2,…,dk,L]T∈L×1。該物聯(lián)設(shè)備同時(shí)產(chǎn)生針對(duì)J種不同變量的非協(xié)作感知信息，表示為向量J×1。對(duì)于其中第l種協(xié)作感知，基站希望能夠得到多設(shè)備協(xié)作感知符號(hào)的某一種計(jì)算結(jié)果ql，可以表示為

(1)

其中，gk,l(·)表示物聯(lián)設(shè)備k對(duì)于第l種協(xié)作感知信息的預(yù)先計(jì)算處理；加和符號(hào)體現(xiàn)了不同用戶的協(xié)作感知信息采用非正交方式，復(fù)用同一資源塊進(jìn)行上傳時(shí)，產(chǎn)生的疊加效應(yīng)；fl(·)表示基站對(duì)于第l種協(xié)作感知信息的后計(jì)算處理。如表1所示，合理選擇物聯(lián)設(shè)備的預(yù)先計(jì)算處理和基站的后計(jì)算處理，可以實(shí)現(xiàn)不同的協(xié)作感知計(jì)算效果[17]。

圖2 基于空中計(jì)算的6G物聯(lián)感知通信計(jì)算系統(tǒng)

綜上所述，在面向協(xié)作群體感知和非協(xié)作感知的通信感知計(jì)算系統(tǒng)中，可以通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)物聯(lián)傳感設(shè)備發(fā)送協(xié)作感知波束和非協(xié)作感知波束，以及基站的協(xié)作感知接收處理矩陣以及非協(xié)作感知接收處理向量，降低物聯(lián)設(shè)備能耗，實(shí)現(xiàn)高能效通信感知計(jì)算。在上述模型基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步考慮接收端采用超大規(guī)模天線陣列和采用可重構(gòu)智能反射面進(jìn)一步提升空間增益，從而實(shí)現(xiàn)降低物聯(lián)設(shè)備端50%能耗的預(yù)期目標(biāo)。

表1 空中計(jì)算中的計(jì)算函數(shù)舉例

2 空中網(wǎng)絡(luò)部署——降低通信計(jì)算能耗

物聯(lián)感知設(shè)備通常由自身配備的電池供電。由于體積微小、電量有限，通常通信能力低下，覆蓋范圍有限，不能有效地將傳感信息回傳至遠(yuǎn)程基站；并且這類設(shè)備計(jì)算能力低下，不能有效地在本地對(duì)原始感知數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，極大影響環(huán)境感知精度。例如，視頻監(jiān)控設(shè)備只能采集原始視頻信息，但不能在本地執(zhí)行人臉識(shí)別等高計(jì)算復(fù)雜度感知應(yīng)用(見圖3)。

圖3 面向綠色通感算一體化的基于固定基站(a)和基于無(wú)人機(jī)的邊緣感知計(jì)算平臺(tái)(b)對(duì)比

基于無(wú)人機(jī)的邊緣感知計(jì)算平臺(tái)可以有效地解決物聯(lián)傳感設(shè)備的高計(jì)算復(fù)雜度感知應(yīng)用難題。并且無(wú)人機(jī)邊緣感知計(jì)算平臺(tái)降低物聯(lián)設(shè)備通信感知計(jì)算能耗方面具備如下性能優(yōu)勢(shì)：利用無(wú)人機(jī)的高機(jī)動(dòng)性和靈活部署特性，可以極大縮短物聯(lián)傳感設(shè)備的通信距離，有效降低該類設(shè)備上傳感知數(shù)據(jù)所需的通信能耗；利用無(wú)人機(jī)機(jī)載邊緣感知計(jì)算平臺(tái)，物聯(lián)傳感設(shè)備可將復(fù)雜感知計(jì)算任務(wù)(如人臉識(shí)別)上傳至無(wú)人機(jī)，從而節(jié)省本地算力和設(shè)備計(jì)算能耗。從圖3(b)可以看到，無(wú)人機(jī)邊緣感知計(jì)算平臺(tái)將是實(shí)現(xiàn)綠色通信感知計(jì)算一體化的關(guān)鍵使能技術(shù)。

在圖 3(b)所示的綠色通信感知計(jì)算一體化系統(tǒng)中，由一架搭載邊緣感知計(jì)算平臺(tái)和空中通信基站的無(wú)人機(jī)，以及U個(gè)地面物聯(lián)傳感設(shè)備構(gòu)成。因此，無(wú)人機(jī)可以在其飛行時(shí)間T內(nèi)向地面物聯(lián)傳感設(shè)備提供通信和計(jì)算服務(wù)。針對(duì)無(wú)人機(jī)軌跡，具備如下限制：無(wú)人機(jī)在飛行完成后需要回到出發(fā)點(diǎn)；在有限的速度下，無(wú)人機(jī)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的最大飛行距離受到限制。并且，無(wú)人機(jī)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的飛行能耗與該時(shí)隙的飛行速度成正比，采用更高的速度進(jìn)行飛行會(huì)帶來(lái)更大的能耗。由于無(wú)人機(jī)在空中飛行，其與地面設(shè)備之間總能保持較強(qiáng)的視距傳輸。通常，可假設(shè)它們之間的信道服從萊斯分布。

在第n個(gè)時(shí)隙，物聯(lián)傳感設(shè)備u需要將部分感知計(jì)算任務(wù)上傳至無(wú)人機(jī)。給定物聯(lián)設(shè)備的帶寬下，為將鏈路中斷概率設(shè)置在某一門限下，可以得到任務(wù)上傳所需的最低傳輸速率Ru(n)，并進(jìn)一步得到物聯(lián)設(shè)備u上傳部分感知計(jì)算任務(wù)lu(n)所需的時(shí)間和能耗為。無(wú)人機(jī)機(jī)載服務(wù)器完成感知計(jì)算任務(wù)lu(n)所需的時(shí)間和能耗也可同樣計(jì)算得到。由于與傳輸速率相比，計(jì)算結(jié)果所占用的數(shù)據(jù)量較小，因此感知計(jì)算結(jié)果的匯聚過(guò)程所占用的時(shí)延和能耗可以忽略不計(jì)。綜上所述，系統(tǒng)總能耗由如下部分組成：物聯(lián)傳感設(shè)備本地計(jì)算能耗、物聯(lián)傳感設(shè)備計(jì)算任務(wù)上傳能耗、無(wú)人機(jī)飛行能耗以及無(wú)人機(jī)感知計(jì)算總能耗。

在基于無(wú)人機(jī)邊緣感知計(jì)算平臺(tái)的通信感知計(jì)算一體化系統(tǒng)中，高能效通信計(jì)算感知資源分配方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)是最小化系統(tǒng)總能耗，包括無(wú)人機(jī)能耗和物聯(lián)感知設(shè)備能耗。需要聯(lián)合設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略包括無(wú)人機(jī)飛行軌跡向量(組網(wǎng))、感知計(jì)算任務(wù)分配方案(感知)、無(wú)線帶寬分配方案(通信)、物聯(lián)傳感設(shè)備的通信功率分配方案(通信)以及無(wú)人機(jī)計(jì)算資源分配方案(計(jì)算)，涉及到基于無(wú)人機(jī)的組網(wǎng)策略，以及通信感知計(jì)算一體化調(diào)度策略。同時(shí)，感知計(jì)算任務(wù)的總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)不能超過(guò)設(shè)備的最大忍耐時(shí)長(zhǎng)；分配給無(wú)人機(jī)的感知計(jì)算任務(wù)不能超過(guò)總?cè)蝿?wù)大小并且物聯(lián)設(shè)備的通信功率不能超過(guò)最大功率；無(wú)人機(jī)計(jì)算資源的分配不能超過(guò)總計(jì)算能力；通信帶寬分配不能超過(guò)總帶寬限制；無(wú)人機(jī)飛行軌跡要滿足速度約束。

當(dāng)感知區(qū)域擴(kuò)大后，可以將上述模型和優(yōu)化問(wèn)題推廣至多無(wú)人機(jī)場(chǎng)景。通過(guò)感知區(qū)域無(wú)重疊劃分，進(jìn)一步提升無(wú)人機(jī)邊緣感知計(jì)算平臺(tái)的能量效率，實(shí)現(xiàn)多移動(dòng)節(jié)點(diǎn)協(xié)作的通信感知計(jì)算一體化設(shè)計(jì)。

3 無(wú)源感知——降低終端能耗

上述兩個(gè)關(guān)鍵使能技術(shù)通過(guò)減少計(jì)算流程、合理分配通信和計(jì)算資源，以及合理部署移動(dòng)邊緣基站，既可以有效降低基站側(cè)(固定基站、無(wú)人機(jī))通信感知計(jì)算能耗，另一方面也可以有效降低依賴電池供電的物聯(lián)傳感設(shè)備的通信感知計(jì)算能耗，極大提升電池使用壽命，保證長(zhǎng)時(shí)間高可靠環(huán)境監(jiān)測(cè)與感知。但電池電量終會(huì)耗盡，從而造成環(huán)境監(jiān)測(cè)與感知盲區(qū)，具體參見圖 4(a)。環(huán)境能量采集技術(shù)(如太陽(yáng)能、潮汐能、風(fēng)能等)可以為物聯(lián)傳感設(shè)備提供額外的能量補(bǔ)充。但環(huán)境中能量密度有限，為了獲取足夠的太陽(yáng)能，需要面積足夠大的太陽(yáng)能面板，這與物聯(lián)傳感設(shè)備的小尺寸要求存在矛盾。并且該種能量獲取方式高度依賴環(huán)境，比如在山林地區(qū)、在夜晚，設(shè)備就不能從太陽(yáng)能中獲取能量。物聯(lián)設(shè)備亟需一種按需、高效、可控的能量補(bǔ)給方式。

現(xiàn)有的基于電感耦合和磁感諧振的無(wú)線充電技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)別的近場(chǎng)充電技術(shù)，并不適用于為6G網(wǎng)絡(luò)中廣域、大規(guī)模覆蓋的物聯(lián)傳感設(shè)備進(jìn)行供能。6G網(wǎng)絡(luò)側(cè)通信基站發(fā)射的射頻信號(hào)，可以有效地將能量攜帶至10 m以上的遠(yuǎn)場(chǎng)。設(shè)備側(cè)利用現(xiàn)有天線，只需添加額外的射頻到直流的整流芯片，即可從射頻信號(hào)中獲取到可觀的能量。利用6G通信網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間可以形成完整的閉環(huán)操作系統(tǒng)，有效提升無(wú)線能量傳輸?shù)男省＜せ畎葱锜o(wú)線能量傳輸，可以為物聯(lián)傳感設(shè)備的大規(guī)模群體感知賦能，使得設(shè)備擺脫對(duì)電池的依賴，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠的環(huán)境監(jiān)測(cè)與感知。圖 4(b)展示了面向群體感知應(yīng)用的無(wú)線自供電通信感知一體化系統(tǒng)。

如圖 4(b)所示，在一個(gè)基于無(wú)線射頻充能的通信感知計(jì)算一體化系統(tǒng)中存在多個(gè)單天線物聯(lián)傳感設(shè)備，和一個(gè)多天線基站。這些設(shè)備在一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)需要針對(duì)所處環(huán)境進(jìn)行群體感知操作。這樣的一個(gè)系統(tǒng)操作幀，可以分為如圖 5(a)所示的幾個(gè)階段。

圖4 基于電池供電(a)和基于無(wú)線射頻能量傳輸(b)的綠色通信感知計(jì)算傳能一體化系統(tǒng)

圖5 基于無(wú)線射頻充能的通信感知計(jì)算一體化系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)(a)和物聯(lián)傳感設(shè)備操作流程(b)

? 消息傳遞階段：通過(guò)物聯(lián)傳感設(shè)備反饋，基站可以獲得物聯(lián)傳感設(shè)備的相關(guān)狀態(tài)信息，包括信道信息，感知和壓縮功耗。根據(jù)這些信息，基站聯(lián)合設(shè)計(jì)下行無(wú)線能量傳輸以及物聯(lián)傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)感知、壓縮和傳輸，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)效用的最大化，和能量消耗的最小化。通過(guò)求解多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題，基站獲得最優(yōu)群體感知策略，并在該階段通知物聯(lián)傳感設(shè)備關(guān)于數(shù)據(jù)壓縮率、感知數(shù)據(jù)大小以及操作時(shí)間分配方案等信息，以便執(zhí)行。

? 無(wú)線能量傳輸階段：基站采用無(wú)線能量傳輸?shù)姆绞郊?lì)物聯(lián)傳感設(shè)備加入群體感知，具體參見圖 5(b)。物聯(lián)設(shè)備在獲取到無(wú)線射頻能量后，將部分能量作為獎(jiǎng)勵(lì)存儲(chǔ)，剩余部分能量用作執(zhí)行感知任務(wù)并將感知數(shù)據(jù)上傳至基站。

? 群體感知階段：根據(jù)基站下發(fā)的感知計(jì)算策略，物聯(lián)傳感設(shè)備執(zhí)行感知、壓縮(計(jì)算)和數(shù)據(jù)傳輸功能。物聯(lián)傳感設(shè)備感知數(shù)據(jù)的上傳采用由基站分配的相互正交的子載波上。

如圖 5(b)所示，第n個(gè)物聯(lián)傳感設(shè)備的操作步驟如下。

? 數(shù)據(jù)感知階段：物聯(lián)傳感設(shè)備消耗自身能量完成數(shù)據(jù)感知。根據(jù)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)感知能耗與感知數(shù)據(jù)大小呈近似正比關(guān)系。

? 數(shù)據(jù)壓縮階段：感知數(shù)據(jù)獲得后需要進(jìn)行無(wú)失真壓縮。物聯(lián)設(shè)備可以任意選擇其感知數(shù)據(jù)的壓縮速率，但壓縮所需的計(jì)算循環(huán)通常與數(shù)據(jù)壓縮率呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。給定物聯(lián)設(shè)備的CPU計(jì)算能力，可得到數(shù)據(jù)壓縮時(shí)延和數(shù)據(jù)壓縮能耗。

? 數(shù)據(jù)傳輸階段：感知數(shù)據(jù)壓縮后，傳感物聯(lián)設(shè)備需要將壓縮后的感知數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。根據(jù)無(wú)線信道即時(shí)條件，可得到上傳壓縮數(shù)據(jù)所需的時(shí)延和能耗。

所有的物聯(lián)傳感設(shè)備以及系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商在上述通感算一體化系統(tǒng)中都可以獲得獎(jiǎng)勵(lì)。一個(gè)物聯(lián)傳感設(shè)備獲得的獎(jiǎng)勵(lì)可以表示為設(shè)備從基站獲得的總能量減去設(shè)備參加整個(gè)感知過(guò)程消耗的能量。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商獲得的獎(jiǎng)勵(lì)為從所有物聯(lián)傳感設(shè)備獲得的感知數(shù)據(jù)帶來(lái)的效用值減去網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的能量消耗。

綜上所述，基于無(wú)線射頻能量傳輸?shù)耐ㄐ鸥兄?jì)算一體化系統(tǒng)，可以通過(guò)聯(lián)合設(shè)計(jì)物聯(lián)傳感設(shè)備獲取的感知數(shù)據(jù)大小，感知數(shù)據(jù)壓縮率、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延以及基站下行無(wú)線能量傳輸?shù)墓β史峙浞桨福瑢?shí)現(xiàn)系統(tǒng)總效用的最大化。同時(shí)，滿足下行無(wú)線能量發(fā)射的總功率限制、物聯(lián)傳感設(shè)備的能量因果性約束以及感知操作總時(shí)間限制。最大化系統(tǒng)總效用相當(dāng)于同時(shí)最大化感知數(shù)據(jù)效應(yīng)(通信感知性能)以及最小化基站總能耗。上述問(wèn)題建模不僅能夠?qū)崿F(xiàn)基站側(cè)能耗的最小化，還能夠通過(guò)無(wú)線射頻能量傳輸技術(shù)完成物聯(lián)設(shè)備的能量供給，將物聯(lián)設(shè)備從有線電池的束縛中解脫出來(lái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

提供通信感知計(jì)算深度融合的一體化服務(wù)將成為未來(lái)6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的主要功能。但網(wǎng)絡(luò)基站側(cè)和用戶終端側(cè)面臨巨大的能耗壓力。本文提出基于空中計(jì)算的感知策略、基于無(wú)人機(jī)的空中網(wǎng)絡(luò)部署以及基于射頻信號(hào)的無(wú)線充能技術(shù)，分別從縮短感知計(jì)算過(guò)程、降低通信感知計(jì)算距離、為終端設(shè)備補(bǔ)充額外能量三個(gè)角度，給出實(shí)現(xiàn)未來(lái)綠色通信感知計(jì)算的主要技術(shù)路線。有望在未來(lái)6G移動(dòng)通信系統(tǒng)中，服務(wù)國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”的重大戰(zhàn)略布局。