6G通信感知融合指標(biāo)仿真方法研究

陳仲華，金凌，孫劍平

（中國電信股份有限公司研究院，上海 200122）

0 引言

近年來，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及，5G除了提供更高的通信速率以外，在行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中承擔(dān)了越來越重要的角色，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、擴展現(xiàn)實（exten2e2 reality，XR）通信、無人機、車聯(lián)網(wǎng)等場景。在實際應(yīng)用中，5G技術(shù)沒有專題對通信感知融合場景進行研究，在一些實現(xiàn)中難以滿足應(yīng)用的需求，例如，5G的感知僅限于定位，而實際應(yīng)用中除了定位需求，更存在一些對物體運動狀態(tài)（位置、速度等）的感知要求。此外，通常5G只具備二維場景的感知能力，難以實現(xiàn)對現(xiàn)實環(huán)境的三維感知，在感知精度上一般也只能實現(xiàn)亞米級的精度。因此，在6G中如何針對不同的應(yīng)用合理提供通信感知融合的性能，就成為了6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要研究方向之一[1-3]。目前6G通感融合預(yù)期能夠?qū)崿F(xiàn)高速移動環(huán)境中的三維物體感知，感知精度可達(dá)厘米級。

1 通感融合仿真的模式與指標(biāo)

1.1 典型模式

6G通感融合按照場景和實現(xiàn)技術(shù)的不同可以分為兩種模式，模式一為應(yīng)答感知模式，通信系統(tǒng)針對具備通信能力的終端進行感知，即感知的電磁波通過基站發(fā)射以后，直接在終端側(cè)進行處理和計算；模式二為反射感知模式，通信系統(tǒng)針對普通物體進行感知，即感知的電磁波通過基站發(fā)射，并由終端發(fā)射回基站，在基站側(cè)進行處理和計算。

應(yīng)答感知模式場景基于通信終端實現(xiàn)通感融合，基于通信終端的通感融合模式如圖1所示。

圖1 基于通信終端的通感融合模式

基站發(fā)射的下行通信信號中包含感知信號，一種常見的方式是利用通信信號中的信道檢測導(dǎo)頻實現(xiàn)信號衰減、時延、波束掃描等功能，在用戶設(shè)備（user equipment，UE）獲取定位、測距、測速、測角等參數(shù)，并通過信令上報給基站，由基站進行分析，實現(xiàn)對UE的感知。此模式用于感知的電磁波只需要單程穿越信道，總體上符合二次雷達(dá)方程，如式（1）所示[4]。

其中，maxR為電磁波感知的最遠(yuǎn)距離，tP為發(fā)射功率，tG為基站發(fā)射天線增益，rG為終端接收天線增益，λ為電磁波波長，minS為接收機的靈敏度。

反射感知模式場景為基站感知普通物體，在這種模式下需要基站接收自身發(fā)出的電磁波在物體上的回波信號，并通過回波信號的分析來實現(xiàn)物體的定位，基于回波探測的通感融合模式如圖2所示。

圖2 基于回波探測的通感融合模式

基站發(fā)射電磁波之后，經(jīng)過被測物體的反射由基站接收，基站通過集成雷達(dá)系統(tǒng)實現(xiàn)對物體的定位、測距、測速、測角功能。此模式中通感融合的信號需要往返穿越通信信道，總體上符合標(biāo)準(zhǔn)的四次雷達(dá)方程，如式（2）所示[4]。

其中，σ為被測目標(biāo)的雷達(dá)截面積。

應(yīng)答感知模式與反射感知模式相比，衰減、干擾較小，一般具有更好的性能。雖然，基于反射回波的通感融合感知的性能提升難度更大，但是回波感知的方式對終端的通信能力沒有要求，適合更廣泛的應(yīng)用場景。同時，該模式可以通過多基站聯(lián)合探測方案提升整體的感知性能。

1.2 常用指標(biāo)

評價通信-感知融合系統(tǒng)的性能可以結(jié)合業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)的空口性能指標(biāo)（參考3GPP、ITU相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5-7]）和與雷達(dá)相關(guān)的性能指標(biāo)（如IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8-9]）。常用通感融合系統(tǒng)性能評價指標(biāo)見表1。

表1 常用通感融合系統(tǒng)性能評價指標(biāo)

在衡量通感融合系統(tǒng)的性能時，感知指標(biāo)與通信指標(biāo)通常是相互制約的，聯(lián)合分析這兩類指標(biāo)即可反映融合系統(tǒng)的有效性和優(yōu)化能力。仿真系統(tǒng)也是通過聯(lián)合分析通信和感知指標(biāo)實現(xiàn)對方案理論性能的評估。

2 仿真方法與實現(xiàn)

2.1 仿真系統(tǒng)框架

通感融合仿真系統(tǒng)通過模擬通感基站和終端之間的通信和感知過程，利用理論分析的方式來評估系統(tǒng)的設(shè)計性能。通感融合仿真系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

仿真系統(tǒng)主要由信源、信道、接收與回波以及分析等部分組成。其中信源部分主要仿真生成通感融合的發(fā)射信號，信道部分主要通過構(gòu)建環(huán)境模型仿真發(fā)射信號和回波信號傳播的路徑特性，接收與回波仿真主要完成信號的接收解調(diào)，同時根據(jù)散射特性生成反射的回波，為信號指標(biāo)的分析提供基礎(chǔ)，分析部分是仿真系統(tǒng)的重要核心，可以根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計特征、理論計算方法和變量關(guān)系，生成分析的圖表，并展示相應(yīng)的關(guān)系。

圖3 通感融合仿真系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 信源模塊仿真

信源仿真隨機生成發(fā)射數(shù)據(jù)，通過調(diào)制、波形生成和成幀，實現(xiàn)發(fā)射信號的構(gòu)建。通常信源的生成需要根據(jù)系統(tǒng)采用的調(diào)制、編碼技術(shù)實現(xiàn)。目前產(chǎn)業(yè)界比較常用的調(diào)制技術(shù)包括正交相移鍵控（qua2rature phase shift keying，QPSK）、正交振幅調(diào)制（qua2rature amplitu2e mo2ulation，QAM）等，常用的編碼技術(shù)主要是正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency 2ivision multiplexing，OFDM）技術(shù)時頻域采樣和編碼。因此，信源生成通常包含調(diào)制單元和快速傅里葉逆變換（inverse fast Fourier transform，IFFT）變換單元，用來生成典型的OFDM信號。

OFDM是將一系列正交的子載波組合在一起，將一個大帶寬信號分割成眾多的窄帶子載波，并將原始離散信號調(diào)制到子載波上進行傳輸?shù)姆绞?。其仿真的基本參?shù)設(shè)定主要基于子載波帶寬、比特率和保護間隔。其中保護間隔占用的功率通常為1 2B，即占整個符號周期長度的20%。根據(jù)保護間隔推算得出符號周期后，根據(jù)所要傳輸?shù)谋忍芈屎驮试S使用的帶寬再選擇合適的調(diào)制類型、編碼速率和快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）點數(shù)。

2.3 信道模塊仿真

通感融合實現(xiàn)模式不同，信道仿真模塊也有所不同。針對單向感知模式，信道仿真通過模擬不同的傳輸路徑特性，一般采用信道特征矩陣描述。信道特征矩陣與信源發(fā)射矩陣進行時域卷積，可以生成接收信號矩陣。針對回波感知模式，信道仿真除了需要模擬不同的發(fā)射信號傳輸路徑特性，還需要模擬回波信號的傳輸路徑特性，由于無線傳輸信道一般是時變信道，通常發(fā)射信號傳輸路徑的特性不同于回波信號的傳輸路徑特性，需要用不同的傳輸特性矩陣進行描述。有時在分析一些時變特性較少的信道時，為簡化仿真系統(tǒng)復(fù)雜度，回波信道的仿真模型也可以采用發(fā)射信道的仿真模型。

無線信道模型主要包含路徑損耗、天線增益、衰落模型和噪聲與干擾等模型。路徑損耗是電磁波發(fā)射以后，經(jīng)過一定距離后功率衰減的情況；天線增益指實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比，對于有向天線相當(dāng)于能夠獲取額外的功率增益。在仿真系統(tǒng)中，可以通過將經(jīng)過路徑損耗的發(fā)射信號功率乘以天線增益來綜合反映功率的衰減幅度。衰落模型主要有慢衰落和快衰落兩種方式，通常慢衰落與路徑損耗有關(guān)，快衰落與多徑傳輸中信號的疊加以及環(huán)境參數(shù)（如遮擋）有關(guān)，仿真快衰落時通?？梢越Y(jié)合是否具有視距傳輸路徑，采用不同的統(tǒng)計模型進行仿真，例如，在無視距傳輸場景下可以采用瑞利多徑傳輸衰落模型，在有視距傳輸場景下可以采用萊斯多徑傳輸衰落模型。在噪聲和干擾仿真時，一般假設(shè)信道中存在的是高斯白噪聲，可以全頻段引入正態(tài)分布的噪聲矩陣，與信號進行疊加，可以模擬信號在收到干擾以后的功率強度的變化，在仿真接收端可以設(shè)置接收門限，從而實現(xiàn)誤碼率的仿真。對于干擾需要設(shè)置干擾信號的時頻域特征，其對信號的影響一般是短時局部頻點的。增加干擾信號可以考察系統(tǒng)設(shè)計時的干擾保護、預(yù)調(diào)制、預(yù)失真技術(shù)的抗干擾性能。

2.4 接收與回波仿真

接收端通常是發(fā)射端的逆過程，接收信號需要進行FFT、解調(diào)等步驟，最終獲取接收信號的矩陣。在獲取接收信號后，需要進行仿真變量的統(tǒng)計工作，統(tǒng)計變量的選擇和統(tǒng)計方法主要由仿真目標(biāo)方案和理論推導(dǎo)的變量關(guān)系為基礎(chǔ)，例如，將接收矩陣與發(fā)射信號矩陣比較可以統(tǒng)計誤碼率，誤碼率對于檢驗通信的峰值速率有重要意義。還可以統(tǒng)計接收信號的功率與仿真的噪聲的功率比，從而更好地估計通信的質(zhì)量。

此外，在仿真采用回波感知技術(shù)的系統(tǒng)時，接收端需要構(gòu)建回波信號，該信號不需要進行解碼、解調(diào)，但是需要進行物體反射特性的仿真運算，物體反射的參數(shù)可以參考物體雷達(dá)截面積的計算方法。在遠(yuǎn)場和線性散射條件下，可以通過物體反射電磁波的極化矩陣來表示電磁波的散射特性，即接收端發(fā)射的回波信號需要乘以物體的極化特性矩陣，由此生成回波信號。

2.5 仿真分析方法

仿真分析方法一般與需要研究的指標(biāo)和實現(xiàn)技術(shù)有關(guān)，例如，如果需要研究系統(tǒng)的接收靈敏度、誤碼率，可以通過仿真信噪比指標(biāo)的仿真實現(xiàn)[10]；需要研究自干擾情況，可以從通信信號和感知信號的功率調(diào)度算法仿真來實現(xiàn)。以下給出基于本文仿真系統(tǒng)，研究通感波形的頻譜效率和感知距離分辨率之間關(guān)系的一個仿真案例，以此說明仿真系統(tǒng)的試驗過程。

通常在評價通感融合技術(shù)的性能時，感知距離分辨率和通信頻譜效率是一對衡量指標(biāo)，可以反映融合波形在滿足探測不同物體距離間隔精度要求時能夠達(dá)到的通信性能。一般情況下感知距離分辨率與感知信號占用的頻譜帶寬有關(guān)，其關(guān)系如式（3）所示。相應(yīng)地，在通感融合場景下等效的頻譜效率計算式如式（4）所示。

其中，B為信號總帶寬；rB為通感融合波形占用的帶寬；cB為通信波形占用的帶寬；φ為通感復(fù)用系數(shù)，該系數(shù)反映通感融合波形的通信復(fù)用能力，即等帶寬的通感融合波形與通信波形傳輸信息最大速率的比值；i表示第i個終端。

根據(jù)3GPP TR38.211相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11]，物理層頻譜資源被按照時頻域分成資源塊，3GPP TR38.211時頻域資源管理示意圖如圖4所示，在OFDM信號將無線資源從時間和頻率維度進行了劃分，其中每一個OFDM符號表示一個FFT頻率采樣周期內(nèi)的子載波數(shù)量。

圖4 TR38.211時頻域資源管理示意圖

為方便示意，仿真中不考慮通信子載波和感知子載波復(fù)用的優(yōu)化方案，所有子載波單獨作為通信或者感知使用，也不考慮通信子載波中的保護冗余。仿真中設(shè)置OFDM信號的FFT頻率采樣點數(shù)為8 192，子載波間隔為120 kHz。將其中128～1 024個子載波用于感知，其余子載波全部用于通信。通感波形無復(fù)用條件下的感知分辨率與頻譜利用率仿真關(guān)系如圖5所示，在未優(yōu)化場景下，頻譜利用率在95%～100%變化時可以有效改善感知精度，但當(dāng)頻譜利用率下降到95%以下時，提高感知精度會導(dǎo)致頻譜利用率快速下降。如果采用通信、感知復(fù)用的優(yōu)化波形，應(yīng)實現(xiàn)對頻率利用率和感知分辨率的通感復(fù)用系數(shù)φ的優(yōu)化。

圖5 通感波形無復(fù)用條件下的感知分辨率與頻譜利用率仿真關(guān)系

3 結(jié)束語

仿真系統(tǒng)作為6G通感融合技術(shù)驗證的重要方法，在實際應(yīng)用中可以進一步實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境的仿真功能，例如，實現(xiàn)基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)[12]描述的復(fù)雜環(huán)境場景的信道仿真模型，以獲得更為真實的仿真效果。目前6G網(wǎng)絡(luò)的無線空口波形尚未確定，除了OFDM波形是備選方案之一以外，基于時延－多普勒域的新的正交時頻空（orthogonal time frequency space，OTFS）波形也可能成為實際方案，因此在信源編碼仿真部分也有待進一步對不同的波形提供仿真支持。此外，在實際應(yīng)用中通感融合的信道估計也是提升通信感知系統(tǒng)整體性能的重要技術(shù)。但是由于信道的時變特性，仿真和估計通常需要海量的計算能力，因此霧計算[13]在未來通感融合的信道估計中具有十分重要的意義。