面向6G的通感空口融合無線電接入網方案

索士強，許盛浩,2，曾婷,3，龔秋莎，王可

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

0 引言

近年來，通信感知一體化技術備受業(yè)界關注[1-6]，已經成為6G研究的重點方向之一。2021年4月，IMT-2030（6G）推進組成立通信感知一體化任務組，并于同年9月發(fā)布《通信感知一體化技術研究報告》[7]。2022年6月，國際電信聯盟無線電通信部門5D工作組（ITU-R BP5D）完成面向2030年及未來的技術趨勢研究工作，通信感知一體化技術成為新興技術趨勢之一[8]。2022年7月，IMT-2030（6G）推進組發(fā)布《6G典型場景和關鍵能力》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，可以提升6G系統(tǒng)能力、豐富6G應用場景，更好地服務于產業(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被挖掘出來，包括產業(yè)升級領域中的位置感知、接近檢測、缺陷檢測、無人監(jiān)控、環(huán)境重構、數字孿生等，社會治理領域的環(huán)境監(jiān)測、危險物品探測等，智慧生活領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化的方式，即將無線感知作為一種新型服務內生到6G網絡中。在此基礎上，業(yè)界正在探討如何在空口層面進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計[12-17]，較少涉及通感空口融合的無線電接入網（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上，提出了一種面向6G的通感空口融合的無線電接入網方案，包括整體框架、通感信號復用方案、通感一體化信號設計實例等，并指出通感空口融合將對6G空口協(xié)議棧設計提出嚴峻挑戰(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)的服務能力，為未來6G系統(tǒng)商用提供創(chuàng)造更多新型應用的可能性；另一方面，在空口層面進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合調度對頻譜資源的高效利用。

（1）無線感知輔助通信性能提升

現有通信系統(tǒng)已經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性，對無線信道的變化進行推斷和預測，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，很難推斷出其具體是外部環(huán)境的哪些變化引起的。當通信的一方（如基站）具備雷達感知功能時，可以對無線移動通信中的環(huán)境進行更為細致的感知，獲知無線信道變化的根因，從而做出更精確的推斷和預測，這被認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。

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

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

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

· 結合目標終端的高精度定位以及移動路徑的預測，判斷通信環(huán)境中對通信信號的遮擋情況，及時調整為其服務的收發(fā)點。

（2）多節(jié)點協(xié)作輔助感知性能提升

復用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)的單站雷達更容易獲得精準的、全方位的感知信息，從而達到利用多節(jié)點協(xié)作輔助感知性能提升的目的。多節(jié)點協(xié)作感知一方面表現為可以對多個無線節(jié)點所獲得的無線感知數據進行匯聚、分析，從而可以快速地尋找、定位目標物體，并進行識別或成像；另一方面，還可以通過通信鏈路將感知數據或感知后形成的指令快速地傳遞給用戶，從而更好地服務于未來對時延要求嚴格的感知應用。

（3）通感大時空尺度聯合調度

由于無線通信和無線感知面向的服務對象不同，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度的方式將無線感知業(yè)務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，當兩個獨立的無線感知系統(tǒng)和通信系統(tǒng)進行融合后，利用通感大時空尺度聯合調度，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)提供了額外的數據來源，這為通過人工智能的方法獲得更優(yōu)的機器學習模型提供了可能。一種通信-感知-計算一體化的AI訓練/推斷框架如圖1所示。其中，機器學習模型的輸入不僅包括現有通信系統(tǒng)可以獲取的訓練/推斷數據，也包括無線感知所獲得的感知數據。

圖1 一種通信-感知-計算一體化的AI訓練/推斷框架

2 通感空口融合無線電接入網方案

一種通感空口融合無線電接入網整體框架如圖2所示。

圖2 一種通感空口融合無線電接入網整體框架

其中，基站側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據上報給集中式單元中的通感算服務模塊，生成給上層應用的數據遞交給核心網或直接在無線電接入網側提供服務，同時生成輔助通信的服務數據支持無線感知輔助通信功能。通感算服務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)的蜂窩架構獲得更好的感知性能。同時，通感算服務模塊還具備基于感知數據的機器學習模型的訓練和/或推斷能力，為通信系統(tǒng)內部提供更好的機器學習模型或更優(yōu)的推斷結果。

無線通信與無線感知可以多載波的方式進行空口融合，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行無線感知獲得環(huán)境信息，并對通信載波的多普勒擴展、時延擴展和角度擴展等信息進行推斷的可能性。換而言之，通過毫米波或太赫茲頻段進行無線感知，利用其對低頻段的通信環(huán)境信息進行推斷，可以進一步節(jié)省出更多優(yōu)質的無線通信資源。

無線通信與無線感知也可以在同一個載波上采用時頻復用的方式進行融合，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，兩者采用時頻復用的方式。由于無線通信和無線感知面向的服務對象不同，針對同一個通信用戶，同時同頻提供通信與感知服務的概率很低，因此時頻復用的方式即可滿足基本需求。在同一載波上通過時頻復用的方式進行通信與感知的融合，還可以獲得通感大時空尺度聯合調度的增益。

在多載波融合、時頻復用融合的基礎上，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計方面?？紤]到無線感知業(yè)務和無線通信業(yè)務的相對獨立性，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/信號進行優(yōu)化設計，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）進行通感一體化優(yōu)化設計，利用SSB的全小區(qū)覆蓋的特性，通過接收SSB的回波信號進行全小區(qū)范圍內的雷達掃描，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用方式如圖3所示，其中一個波束用于雷達掃描，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，雷達波束需要根據掃描需要調整方向，進行波束成形時需要同時滿足兩者需求；特別地，當通信需求不存在時，僅存在雷達波束。

圖3 無線通信與無線感知信號空分復用方式

目前，通感空口融合在技術突破、硬件實現和標準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方案的基礎上，需要結合無線通信與無線感知的信號復用方式，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、通感大時空尺度聯合調度的具體方法進行深入研究并形成技術突破，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)議棧的設計產生較大的影響。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，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發(fā)送端的信息比特，因此基站和終端側也不存在對等的協(xié)議層。這對如何設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造新型的無線通感承載支持全新的協(xié)議棧設計，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服務化架構、通過內生服務的方式進行無線感知/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 結束語

本文對通感空口融合必要性進行了分析，指出通感空口融合不僅可以提升6G系統(tǒng)的服務能力，還可以有效提升無線頻譜的利用率，具體表現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合調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用融合方案以及一體化信號設計進行了探討，為進一步開展通感空口融合的研究提供參考。