楊 艷，李福昌，張忠皓

(中國聯(lián)通研究院，北京 100048)

0 引言

6G做為下一代通信系統(tǒng)，其架構和技術都在發(fā)生較大的變化，其中智能化和融合化是其較為突出的特點。目前，業(yè)界已經(jīng)開始對6G的應用場景和關鍵技術進行系統(tǒng)深入的研究[1-3]。目前主流的多個業(yè)務融合方向主要為兩個業(yè)務融合：通信與感知融合、通信與無線傳能的融合或者一體化。其中較為主流的融合方式——通感融合技術可以實現(xiàn)通信和感知功能的一體化，是未來網(wǎng)絡中專網(wǎng)應用豐富化的體現(xiàn)，是典型多個2B業(yè)務以大規(guī)模全面覆蓋新業(yè)態(tài)出現(xiàn)的具體體現(xiàn)方式。通信和無線傳能融合在物聯(lián)網(wǎng)等方面有較大的用處，可以對低能耗的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行無線充電，實現(xiàn)不間斷的通信服務。但是目前的通信+某一個業(yè)務融合系統(tǒng)是目前研究的重點，而通信+多于兩個業(yè)務的融合目前尚無相關的研究。

一方面，從通信和感知融合的角度看，通信和感知發(fā)展在前期都是分離的，到了在5G后出現(xiàn)了相互融合。近兩年，通感融合的研究在高校、產(chǎn)業(yè)界都較為重視，在標準方面，多家公司和高校都對通感融合標準化投入了大量的人力，并輸出了多份文稿，并且3GPP R19 SA1完成第一個通感立項，ITU和IEEE 也成立了研究組開展相關的研究。在學術方面，高校和科研機構對通感融合的部署廠家[4-5]、系統(tǒng)架構設計[4-5]、波形設計及通感融合在射頻[6-11]都進行了大量的研究，并逐步明確了通感一體化技術的研究路線和關鍵技術。

另一方面，信息和能量一起運輸?shù)南敕ㄊ怯蒝arshney[12]首先討論的，為了說明同時進行信息和功率傳輸?shù)幕拘阅軝嗪?，提出了一個容量-能量函數(shù)，通過使用具有加性高斯白噪聲(AWGN)的真實衰落信道。Sahai等人[13]擴展了這一想法，通過考慮單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)，在能量收集和信息解碼之間采用非平凡的權衡。目前通信與無線傳能的研究也較多，主要聚焦在共享網(wǎng)絡的天線能力、一體化射頻、波形選取等[14-16]。

1 6G通信感知傳算融合的應用場景分析

6G時期的通感傳算融合是一種多種業(yè)務全方位高度融合的應用，其主要目標是通過對一套系統(tǒng)實現(xiàn)多種業(yè)務，即實現(xiàn)通信、感知和傳能業(yè)務共同承載在一套端到端系統(tǒng)上，從而有效提升無線頻率的利用率、降低設備重復部署，達到低碳的目標。圖1為通信、感知和無線傳能一體化示意圖，圖中給出了比較常見的通感傳能一體化結構，可以將通信功能、感知能力和無線傳能都集成在基站中，通過差異化波形、時隙、頻段和天線陣列進行不同業(yè)務的執(zhí)行，當然也不排除使用基站和終端聯(lián)合承擔通信、感知的傳能的可行性。

圖1 通信-感知-傳能一體化系統(tǒng)

由于將通信、感知和傳能進行一體化研究剛處于起步階段，因此需要對其適用范圍進行梳理，尤其是典型的應用場景。由于設備的尺寸、功耗和內部設置都與覆蓋范圍有較大的區(qū)別，因此在典型場景劃分中本文按照室內場景和室外場景進行劃分。

1.1 室內應用場景

通信-感知-傳能融合業(yè)務在室內場景有較為廣泛的部署空間。其中比較有部署前景的場景可以分為物聯(lián)網(wǎng)場景、智能家居場景、智能查表場景、智能安防場景、智能工廠場景等，如圖2所示。下面將對這些場景的需求進行詳細分析說明。

圖2 通感傳融合業(yè)務的室內應用場景

在智慧家居場景中，有很多小電器需要進行通信控制和充電，這些都對無線控制和無線傳能有較強的需求。此外，家居中也對非法入侵、老人孩子監(jiān)護等無線感知業(yè)務都有較高的需求，如果部署獨立的相關設備對房屋的布局等都有較大的空間、電力要求，在這類復雜的需求場景中對通信-感知-傳能融合設備的需求是顯而易見的。

在智慧查表場景中，電表、水表和燃氣表如果采用傳統(tǒng)的設備，需要工作人員進行查表和設備的電磁更換，即使使用物聯(lián)網(wǎng)表，也需要進行定期的電源更換，對人力有一定的要求，在這種情況下無線通信與無線傳能一體化有較高的需求。同時，考慮到電表等儀表的安裝區(qū)域可能出現(xiàn)非法人員或者儀器不正常脫落等問題，這些可以通過無線感知功能進行發(fā)現(xiàn)和檢測。不難看出，在智能查表情況下，通信-感知-傳能可以提升整個查表場景的智能化。

在智能安防場景中，煙感等傳感器都需要進行無線控制和無線傳能，并且對非法入侵等都有較高的要求，因此通感傳融合設備可以很好地滿足要求，達到設備的集約化和高效化。

在智慧工廠場景，尤其是一些安全條件較差的場景，如煤礦場景等都有較多的無線控制設備和儀表，且對特殊險情都需要進行較快的反應，在這種情況下通感傳設備可以從根本上解決安裝位置不足、人員安全隱患等問題，保障工廠的高效安全工作。

1.2 室外應用場景

通信-感知-傳能融合業(yè)務中在室外環(huán)境比較有部署前景的場景可以分為車聯(lián)網(wǎng)和巡檢等場景，如圖3所示。下面將對這些場景的需求進行較為詳細分析說明。

圖3 通感傳融合業(yè)務的室外應用場景

智慧交通場景針對車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同和人員非法入侵等場景給出，由于車聯(lián)網(wǎng)需要進行大量的數(shù)據(jù)傳輸且要對公路內車輛、人員和物體等進行監(jiān)測，因此對通信和感知都有較高的要求。另外，隨著電動汽車的出現(xiàn)，提供大功率的充電能力，這樣就對通感傳融合業(yè)務有較為明確的需求。

智慧巡檢是針對戶外場景下需要采用無人機、巡檢機器人等進行部署的場景，在這些場景中通信、感知和傳能的需求都存在，因此可以通過部署通感傳設備進行部署。

2 6G通信感知傳算融合關鍵技術

通信-感知-傳能融合系統(tǒng)與傳統(tǒng)的通信、感知和傳能獨立存在的系統(tǒng)或者通感融合系統(tǒng)、通信傳能系統(tǒng)有較大的不同，其射頻設計將非常復雜，且對頻段的要求更加明確化，需要開展對無線資源共享和通感傳算覆蓋增強技術的研究。

2.1 一體化RF技術

通感傳融合技術需要考慮設備的一體化，而空口部分的一體化難度極大，最為重要是射頻一體化難度會隨著多個不同業(yè)務共存而逐步提升。一體化射頻與多種技術相關，如波形選取、幀結構選取和天線模式等，本節(jié)將著重對波形技術和天線模式進行介紹。

2.1.1 波形技術

在5G中，通信波形還是默認使用OFDM波形，其具備較高的可攜帶數(shù)據(jù)能力和低能耗，因此在現(xiàn)有無線通信中使用最為廣泛。而感知波形普遍是采用FMCW等雷達波形進行部署，這種信號可以對物體進行較為精確的感知。無線傳能技術的典型實現(xiàn)技術包括4種：感應耦合及諧振耦合式、微波輻射及激光輻射式。激光和微波都可以實現(xiàn)遠距離無線傳能。綜合現(xiàn)有波形的使用情況，通感傳波形可以選取的波形為OFDM、NOMA[14-15]、FWCW等波形的單一波形或者符合波形。表1給出了不同波形的性能比較。

表1 通感傳波形能力對比

2.1.2 多天線技術及資源共享

Massive MIMO技術是6G中一個較為明確的研究方向，在IMT2030中也有專門的研究小組進行研究，其可以最大化空間可用性。從通感融合來分析，在同步支持通信和感知的需求后，超大規(guī)模天線可以使用精準的空間避免相同RB復用造成的干擾從而提升吞吐量，也可以使用超大規(guī)模天線的高主瓣能量反射后對需要感知的物體進行較為準確的感知。同時，隨著波束形成的增加，天線數(shù)量的增加可以促進無線傳能系統(tǒng)獲得更多的能量。因此多天線技術從本質和性能保障等方面都可以滿足通信-感知-傳能融合技術的要求。Massive是指基站天線陣列中的大量天線，在毫米波頻段等高頻段可以實現(xiàn)較大陣子數(shù)的天線陣列；為了利用多路徑、天線元件和用戶終端之間的空間信道需要加以表征，稱之為信道狀態(tài)信息(CSI)。此CSI一般表征各天線與各用戶終端之間的空間傳遞函數(shù)的集合，一般采用一個矩陣(H)來收集此空間信息，如圖4所示。

圖4 Massive MIMO系統(tǒng)需要信道狀態(tài)信息

CSI矩陣的公式如下所示：

(1)

基站一般是基于CSI而設計，以對天線陣列傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行預編碼，使得多路徑信號會在用戶終端位置相干疊加。這種濾波還可以用來線性組合天線陣列RF路徑收到的數(shù)據(jù)，從而檢測來自不同用戶的數(shù)據(jù)流。檢測和預編碼矩陣基于H計算。

由于通信-感知-傳能一體化后，需要在一個無線系統(tǒng)中對不同業(yè)務分配，從而實現(xiàn)多個業(yè)務的資源平衡化。無線傳能系統(tǒng)的資源分配設計在幾個方面與傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)有所不同。首先，與通信的接收天線相比，傳能的接收天線需要捕獲實際的電路輸入-輸出特性所需的數(shù)學模型要復雜得多，這給資源分配設計帶來了巨大的挑戰(zhàn)；其次，基于能量的性能指標，如收獲的能量和無線傳能效率，與基于數(shù)據(jù)速率的指標一樣重要；再次，傳能會帶來額外的共信道干擾對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是有害的，限制了系統(tǒng)的性能。因此，在資源分配設計過程中應抑制或減輕它。在此情況下，目前的研究主要以保證通信的質量為基礎，使用較少的頻分、時分子載波時隙進行感知和傳能，或對CSI等參考信號進行加強實現(xiàn)通感傳能功能，但如何進行多業(yè)務性能的資源分配還是非常重要的研究方向，需要開展相關的界限及其計算方法的研究。面向通感傳融合的Missive MIMO技術方法可以針對通信、感知和傳能的需求進行有效的波束賦形和資源共享。圖5給出了不同在通感傳融合下的資源分配及天線賦值的下行示意圖。

圖5 不同在通感傳融合下的資源分配及天線賦值示意圖

式(2)給出了在下行波束賦形的計算方法，其中Xs為感知的輸出波形，Ss為輸入的感知數(shù)據(jù)，Hs為感知的信道編碼矩陣，相應的xI，sI，HI分別為通信的輸出波形、輸入的通信數(shù)據(jù)、通信的信道編碼矩陣；XW、HW和SW分別為傳能的輸出波形、輸入的無線傳能數(shù)據(jù)、傳能的信道編碼矩陣。

(2)

2.2 通感傳算覆蓋增強技術

近年來，智能反射面(IRS)通過調整元面的相位和/或振幅響應來控制無線傳播環(huán)境，可以顯著提高系統(tǒng)的頻譜和能源效率引起了極大的關注。IRS對通信-感知-無線傳能融合系統(tǒng)來說，在功能實現(xiàn)方面更多的是實現(xiàn)感知輔助通信和感知輔助傳能的功能，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，進而IRS基于感知反饋動態(tài)調整相位、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 ，實現(xiàn)對干擾的調整及遮擋物的避讓，實現(xiàn)無線傳能的準確性，也可以實現(xiàn)通信吞吐量、時延的提升。同時在感知過程中，通過IRS進行智能化中繼，可以較好地實現(xiàn)尤其是有遮擋情況下感知信號的收取，提升三維感知精度。圖6給出了典型場景下如何在有障礙物的情況下，使用IRS進行通感傳業(yè)務的流程。

3 結論

通信、感知、傳能一體化或者融合是未來通信網(wǎng)絡發(fā)展的一個重要趨勢，需要開展網(wǎng)絡架構、融合射頻技術、新型網(wǎng)絡技術的研究，同時由于多種業(yè)務的融合化，網(wǎng)絡資源共享需要與算力網(wǎng)絡、人工智能等進行高度協(xié)調，從而構建高效能、低成本的新型網(wǎng)絡系統(tǒng)。