無線感知通信一體化關(guān)鍵技術(shù)分析

潘成康，王愛玲，劉建軍，王啟星，王亞娟,馬 良

(中國移動通信研究院，北京 100053)

0 引言

移動通信從2G發(fā)展演進到5G，其空口傳輸性能不斷增強升級，但信息傳遞功能基本沒變。隨著信息技術(shù)的不斷革新，以機器人、無人車和無人機等智能體，以及擴展現(xiàn)實(xR)和數(shù)字孿生體等虛擬空間為連接主體和業(yè)務(wù)要素的新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，對6G網(wǎng)絡(luò)提出了更高的信息交互能力需求和信息采集擴展功能需求。兩種需求呈現(xiàn)出高度的耦合特性，從而驅(qū)動6G空口核心功能從無線傳輸向無線感知擴展。

日益增長的信息處理需求同樣對無線頻譜資源帶來巨大壓力。未來6G網(wǎng)絡(luò)將全頻譜接入，支持3 GHz以下低頻段、包括3.3～3.6 GHz和4.8～6 GHz在內(nèi)的中頻段、包括24.5～27.5 GHz、37～43.5 GHz和66～71 GHz在內(nèi)的毫米波頻段，引入潛在的140～220 GHz、275～296 GHz、306～313 GHz、318 ～333 GHz和356～450 GHz太赫茲頻段以及可見光波段，并將兼容非授權(quán)頻段和衛(wèi)星頻段等。這些頻段與傳統(tǒng)的無線感知(雷達)頻段將產(chǎn)生越來越多的交疊，傳統(tǒng)頻譜共享與兼容性設(shè)計亟待升級。同時，面向6G的超大規(guī)模天線、太赫茲通信以及可見光通信等無線通信技術(shù)具備三維定位和成像能力，感知與通信共設(shè)備降成本成為可能。另外，新業(yè)務(wù)需要多時空維度的實時感知與協(xié)同決策，對端到端時延敏感。傳統(tǒng)串行信息采集與信息傳遞信息處理流程亟需重新設(shè)計。

上述技術(shù)趨勢與需求促進了無線感知通信一體化技術(shù)的發(fā)展，成為6G空口研究熱點[1-3]。無線感知通信一體化是指基于軟硬件資源共享實現(xiàn)無線感知與無線通信功能協(xié)同的信息處理與服務(wù)技術(shù)。具體來說，它包括在感知軟硬件資源中引入通信功能，或在通信軟硬件資源中引入感知功能，還包括基于信息共享的感知通信功能協(xié)同等。IEEE 802.15.7制定了可見光成像通信技術(shù)標準[4]，3GPP NR正在制定無線定位技術(shù)標準，將定位引入到空口功能中[5]。無線感知通信一體化將為6G提供一種新型的信息處理能力。

1 技術(shù)場景分析

1.1 基本概念與內(nèi)涵

在傳統(tǒng)領(lǐng)域，無線通信是指與目標進行信息交互的行為，包括單播、組播和廣播形式，涉及文本、語音、圖片及視頻等內(nèi)容，通過通信設(shè)備完成。無線感知是指對目標屬性與狀態(tài)進行信息采集的行為，包括目標檢測、定位、測距、測速、跟蹤、成像及識別等細分功能，通常采用雷達、攝像頭及探測器等設(shè)備完成。

1.1.1 無線感知模式

相對于無線通信，無線感知技術(shù)有多種方式，如圖1所示。感知主體通過發(fā)射無線信號(包括可見光信號)對目標進行感知的方式稱為主動感知或有源感知；反之，不發(fā)射無線信號，通過利用他方信號(如自然光)進行感知的方式稱為被動感知或無源感知。若感知目標參與感知過程，稱為合作感知；反之，稱為非合作感知。

圖1(a)和(b)是主動非合作感知方式，前者是反射式，接收機(檢測器)和發(fā)射機(信號源)在一起；后者是透射式，收發(fā)采用分離架構(gòu)。這是常規(guī)的無線感知方式，其性能通常依賴于感知信號波形、帶寬、功率、天線增益和目標散射截面。

圖1(c)和(d)是主動合作感知方式，前者是感知目標通過與感知主體進行無線通信的方式參與感知，例如3GPP定義的信道狀態(tài)測量技術(shù)和無線定位技術(shù)。這種方式中，感知目標通過自身的接收機(檢測器)感知全部或部分信息，通過通信反饋給感知主體，可以有效提升感知工作范圍和精度。后者是感知目標通過自身特殊的幾何結(jié)構(gòu)或材料結(jié)構(gòu)設(shè)計對感知信號進行響應(yīng)。這種特殊結(jié)構(gòu)可以對目標屬性和狀態(tài)信息進行編碼，或者改變電磁波反射或吸收特性，從而讓主體可以獲取更多信息或讓感知信號處理更為簡單。更為重要的是，這種方式可以讓無線感知具備通信能力，可替補或擴展傳統(tǒng)無線通信功能，提升信息交互能力。

圖1(e)和(f)是被動感知方式，典型設(shè)備有無源雷達、攝像頭等。感知主體借助于自然光、燈光、生物紅外光及地面廣播電臺信號等對目標進行感知。圖1(e)是非合作模式，圖1(f)與圖1(d)一樣是合作模式，通過表面編碼或結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)提供額外信息或改善感知條件。

根據(jù)業(yè)務(wù)場景需求，無線感知還存在上述模式的混合模式或動態(tài)切換模式，這里不再細述。

(a) 主動非合作感知-反射

圖1 無線感知方式

Fig.1 Wireless sensing modes

1.1.2 無線感知通信一體化技術(shù)模式

無線感知通信一體化技術(shù)模式可以從資源與功能兩個層面分類闡述，如圖2所示，涵蓋第一、第二和第四象限領(lǐng)域。這里，資源是指無線感知與通信的軟硬件資源，包括無線頻譜、發(fā)射功率、天線、射頻、基帶以及相關(guān)的軟件與計算環(huán)境。通信功能是指無線接入與傳輸，感知功能包括目標檢測、目標屬性與狀態(tài)參數(shù)測量等。

圖2 無線感知通信一體化技術(shù)模式Fig.2 Integration modes of wireless sensing and communication

(1) 模式1：資源獨立，功能一體化

資源獨立是指無線感知和通信具有獨立的硬件設(shè)備和頻譜資源。這種情況下，功能一體化主要指基于信息共享的功能協(xié)同。具體說，就是通過利用感知功能獲知的通信環(huán)境先驗信息提升通信性能，通過通信功能獲知的感知目標先驗信息提升感知性能。前者考慮了無線通信技術(shù)與環(huán)境日趨復雜的趨勢，簡單地對信道質(zhì)量與信道狀態(tài)信息進行測量，難以滿足高質(zhì)量通信需求。因此需要借助無線感知手段，擴展獲取無線通信環(huán)境的屬性與狀態(tài)。然后，基于無線感知獲取的關(guān)鍵信息，結(jié)合其他途徑獲取的數(shù)據(jù)，借助大數(shù)據(jù)分析、機器學習和推理，為無線通信資源管理、優(yōu)化與分配提供決策建議。對于后者，通常感知區(qū)域既包含非合作目標，又包括合作目標。基于合作目標提供的信息，結(jié)合其他途徑獲取的數(shù)據(jù)，可以幫助感知算法降低狀態(tài)空間和復雜度，或者在同等復雜度條件下，提升感知維度、深度和精度。

該象限領(lǐng)域還包括功能擴展，一是基于合作感知模式，讓無線感知具備通信功能，在不具備傳統(tǒng)無線通信條件下，實現(xiàn)通信功能；二是在不具備感知的條件下，通過通信方式(數(shù)據(jù))實現(xiàn)感知功能。

(2) 模式2：功能獨立，資源一體化

資源一體化具有不同層次的資源共享形式，主要包括頻譜資源和設(shè)備資源。頻譜資源一體化具體分為頻譜兼容性設(shè)計、頻譜共享[6]、頻譜正交性設(shè)計以及頻譜融合等多個層級，設(shè)備資源具體分為共天線、共射頻、共基帶以及共整機等多個層級。在共設(shè)備、共頻譜情況下，正交性設(shè)計主要是時分、頻分以及空分(波束)等設(shè)計，關(guān)鍵問題是在保證一方性能的同時優(yōu)化另一方性能。頻譜融合設(shè)計有兩個技術(shù)方向，一是在感知信號中調(diào)制通信信息[6]，二是在通信信號中引入感知信號。前者主要應(yīng)用在傳統(tǒng)雷達優(yōu)勢領(lǐng)域，通過雷達設(shè)備升級支持低速率通信功能。MIMO體制雷達可以提升調(diào)制在雷達信號中的通信速率。后者主要應(yīng)用在傳統(tǒng)通信優(yōu)勢領(lǐng)域，借助移動通信系統(tǒng)中OFDM調(diào)制的優(yōu)勢引入并改進感知性能[2]。為了更好地同步支持通信與感知，改進類OFDM調(diào)制成為一個研究方向。

(3) 模式3：功能資源一體化

無線感知通信一體化技術(shù)最終目標是做到同頻譜、同設(shè)備、功能融合。例如，3GPP定義的4G和5G通信系統(tǒng)中的信道測量參考信號，已經(jīng)嵌入到無線通信流程中，通過合作感知(即終端側(cè)信道估計)為無線通信提供參數(shù)建議。與資源獨立的功能協(xié)同不同的是，這里通信功能依賴于感知。進一步地，隨著智能超表面[7]和全息無線電[8]等新技術(shù)的出現(xiàn)，構(gòu)建智能無線電環(huán)境和電磁空間成為可能。相應(yīng)地，無線通信將更加依賴對電磁環(huán)境多維甚至全息信息的感知，從而可以實現(xiàn)超高分辨率的空分復用能力。同時，這種像素級的分辨率讓無線通信也具備了成像和定位功能，真正實現(xiàn)同頻譜、同設(shè)備無線感知通信功能融合。

1.2 技術(shù)場景

無線感知通信一體化在實際應(yīng)用中可以細分為如圖3所示的幾種情形(以非合作感知為例，可以擴展到合作感知)。圖3(a)是針對同一個目標進行感知與通信。這種情況典型范例有車車協(xié)同、工業(yè)機器人協(xié)同和無人機協(xié)同，在與目標通信同時感知其無法通過通信傳遞的實時狀態(tài)，或者實現(xiàn)感知通信功能協(xié)同；圖3(b)是針對分離獨立的目標進行感知與通信。這種情況中感知與通信功能獨立，主要用來對非合作目標進行檢測；圖3(c)是一種更為普適的場景，包括多個通信目標(多址和廣播)和多個感知目標。多目標感知通信相比單目標來說需要更為復雜的信號波形設(shè)計、資源分配算法和信號檢測算法等。

圖3(a)和(b)中，感知通信主體一般是移動終端，如高性能智能終端、無人車、機器人等，感知范圍通常為中短距離；圖3(c)中感知通信主體一般是基站，在合作感知或?qū)崭兄?如無人機監(jiān)控)情況下感知范圍可達中長距離，非合作感知通常也為短距離。

(a) 同一目標

2 一體化方案分析

2.1 一體化可行性分析

無線感知通信一體化通常需要感知和通信在適用場景、覆蓋范圍(作用距離)和性能三個維度具有一定程度的一致性。但是，不同頻段的無線感知與通信能力及硬件需求具有顯著差異。因此需要圍繞無線感知與通信的設(shè)備形態(tài)、適用場景(作用距離)兩大關(guān)鍵要素進行分析。

在資源一體化方面，綜合考慮感知與通信在相近或相同工作頻段上的設(shè)備差異性，包括設(shè)備尺寸、天線增益與形態(tài)(喇叭天線、反射面天線及陣列天線等)、輸出功率、接收機靈敏度以及信號制式(信號帶寬、調(diào)制方式等)等。還要考慮感知設(shè)備核心功能的作用距離與通信覆蓋范圍的差異性，包括在通信覆蓋范圍內(nèi)的目標檢測、測距、測速、定位、跟蹤、成像、識別以及其他參數(shù)測量等細分功能的精度是否達到系統(tǒng)預(yù)定要求。在功能一體化方面，綜合考慮場景信息的互惠性，即感知與通信功能之間在支撐上層應(yīng)用時的相關(guān)性。

表1給出了典型的感知與通信頻段對應(yīng)的首要功能和適用場景對比。在分米波頻段，可以將分米波雷達與宏蜂窩基站實現(xiàn)共設(shè)備，可同時實現(xiàn)通信信號宏覆蓋和遠空目標檢測功能，但由于分米波雷達天線形態(tài)的限制，可行性較低；在厘米波頻段，可考慮例如車載通信頻段與雷達的資源一體化，甚至擴展到新的潛在3GPP NR頻段；在毫米波頻段，可考慮例如26 GHz頻段的雷達通信資源一體化，以及更高頻段的功能協(xié)同，如基于通信的融合感知，或基于感知編碼的通信功能擴展。太赫茲頻段理論上可以將成像與通信資源一體化，但由于信號源、檢測器等關(guān)鍵器件尚不成熟，一體化可行性較低。激光雷達是用于目標識別和定位的成熟技術(shù)與設(shè)備，與通信設(shè)備尚不具備一體化可能性，但在功能協(xié)同上，可以通過合作目標(通信)反饋先驗信息降低激光雷達的信號處理復雜度，但目前還不成熟。IEEE定義的可見光成像通信技術(shù)已經(jīng)成熟，可在成像同時支持低速率通信，且基于機器視覺的目標特征識別與非光通信可做功能協(xié)同，這兩類都具有較高可行性。目前融合可見光通信與定位的技術(shù)還在發(fā)展中，但具有很好的技術(shù)競爭力。

表1 無線感知通信一體化不同頻段技術(shù)可行性

2.2 一體化收發(fā)機設(shè)計

面向6G的智能基站和智能終端，一定具備多個頻段的無線感知與通信能力。因此基站設(shè)備或終端設(shè)備應(yīng)同時具有資源一體化與功能一體化的收發(fā)機結(jié)構(gòu)，如圖4所示。對于資源一體化，關(guān)鍵在于一體化硬件與信號設(shè)計[9]；對于功能一體化，關(guān)鍵在于無線感知通信聯(lián)合信息處理。

圖4中，發(fā)送端的感知信號可以與通信信號共用射頻與天線，在與通信信號正交的資源上發(fā)送，也可以通過感知設(shè)備以感知編碼的方式發(fā)送。在接收端，通信信號與感知信號可以獨立檢測，也可以聯(lián)合信號處理、聯(lián)合數(shù)據(jù)處理、聯(lián)合推理與決策等不同層次的協(xié)同。

感知編碼是一種合作感知方式，可以是有源或無源編碼；可以是基于平面或立體圖案的幾何編碼方式，也可以是基于超表面圖案的編碼方式；可以是靜態(tài)圖案，也可以是動態(tài)圖案。這種方式更加顯性化感知目標的屬性或狀態(tài)等特征信息，也可以作為數(shù)據(jù)交互手段，成為無線通信的擴展功能，可以用作數(shù)據(jù)復用、數(shù)據(jù)分集或控制信道。接收端根據(jù)信號檢測與數(shù)據(jù)處理結(jié)果，判斷干擾情況，對無線感知與通信資源進行重新優(yōu)化分配。

為了保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性，避免目標任務(wù)的中斷，基站設(shè)備需要盡量保證感知覆蓋連續(xù)性，終端設(shè)備需要增強感知適應(yīng)性，避免障礙物出現(xiàn)、天氣變化等因素造成感知性能下降或失效。此時資源控制單元應(yīng)根據(jù)上層應(yīng)用提供的目標任務(wù)的全生命周期先驗信息，結(jié)合感知環(huán)境和通信環(huán)境的變化情況，優(yōu)化無線感知通信一體化方案，確保業(yè)務(wù)質(zhì)量。

3 應(yīng)用場景

無線感知通信一體化主要應(yīng)用在感知與通信業(yè)務(wù)耦合場景，包括基于智能體交互的無人化業(yè)務(wù)、基于人機交互的沉浸式業(yè)務(wù)和基于虛實空間交互的數(shù)字孿生業(yè)務(wù)。這類業(yè)務(wù)中感知行為和內(nèi)容與通信行為和內(nèi)容具有不同層次與層度的相關(guān)性。本文以智能體交互為例，闡述無線感知通信一體化的具體應(yīng)用思路。

智能體是指具有環(huán)境感知、交互與響應(yīng)能力的實體，如機器人、無人車及無人機等。智能體感知能力通常來自于攝像頭、各類雷達和各類傳感器。交互能力通?；诟兄c通信實現(xiàn)，響應(yīng)能力來自于智能體的學習(包括推理、決策)和執(zhí)行能力。由于智能體軟硬件資源不同，其無線感知、通信、學習、計算能力各有差異。因此，智能體交互具有不同層次的目標。

(1) 協(xié)同感知

為了完成目標任務(wù)，智能體需要交互數(shù)據(jù)與信息。例如，在車聯(lián)網(wǎng)場景中，車車或車路之間以通信方式交換感知數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合以提高感知維度、深度和精度。這里，交互數(shù)據(jù)可以是原始數(shù)據(jù)或訓練集數(shù)據(jù)。

(2) 協(xié)同訓練

協(xié)同訓練是智能體合作訓練模型的過程。具體有3種情況：一是智能體算力不均衡，較強算力的智能體幫助其他智能體完成模型訓練；二是相關(guān)智能體分工完成本地模型訓練，再匯總形成完備的區(qū)域模型；三是智能體交互各自訓練模型，幫助測試和優(yōu)化性能。

(3) 協(xié)同推理

協(xié)同推理是智能體合作求解問題的過程。通常目標任務(wù)會被定義為若干優(yōu)化問題，每個問題可分解成子問題并分配給智能體局部求解。智能體基于自身的資源和模型對分配的問題進行推理，并將局部推理結(jié)果發(fā)送給其他智能體進行參考或修正，或者發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)合成整體推理結(jié)論。最終推理結(jié)論可能需要多次推理結(jié)果的更新迭代才能確定。多個智能體通過交互形成推理網(wǎng)絡(luò)，需要精心設(shè)計推理架構(gòu)來優(yōu)化其推理能力。

(4) 協(xié)同決策

協(xié)同決策是智能體達成一致行動約定的過程。這些行動約定以命令的形式下發(fā)到智能體的執(zhí)行單元，推動任務(wù)流程或響應(yīng)任務(wù)外的突發(fā)事件。

數(shù)據(jù)融合問題貫穿上述4個智能體交互層級，可以進行數(shù)據(jù)級、推理級或決策級融合。如攝像頭和毫米波雷達感知信息的融合，可以綜合利用目標形狀、距離及速度等感知信息，實現(xiàn)對物體的精準定位與識別。

無線感知通信一體化可以應(yīng)用在上述4個智能體交互層級，支持數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)降維，提升感知精度。主要應(yīng)用思路是圍繞目標任務(wù)，充分利用基于通信的合作感知方式，降低感知數(shù)據(jù)量，對于非合作目標，充分利用任務(wù)先驗信息和合作感知獲取的先驗信息，降低感知計算量。同時，根據(jù)目標任務(wù)的全生命周期等先驗信息，通過無線感知通信一體化，減少下一步流程中不必要的感知與通信行為。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)上，無線感知與通信獨立設(shè)計，無線通信以標準的技術(shù)體制為多樣化的無線感知方式和場景提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)通道。分析發(fā)現(xiàn)，在不同頻段上感知與通信的設(shè)備形態(tài)與作用距離存在不同層度的差異性，因此無線感知通信一體化技術(shù)設(shè)計面臨多種技術(shù)模式與路徑選擇，這些都將對未來6G多功能空口設(shè)計、6G基站與終端設(shè)備結(jié)構(gòu)與能力標準化，以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)格局帶來重要影響。建議按照模式1、模式2和模式3漸進推進一體化技術(shù)發(fā)展，重點考慮在通信體制中引入感知功能的技術(shù)路徑，中短距離采用非合作式感知，中遠距離采用合作式感知方式。針對不同的應(yīng)用場景，建議考慮業(yè)務(wù)生命周期先驗信息和不同流程對感知與通信的需求，在優(yōu)化感知與通信行為的同時，也迭代優(yōu)化業(yè)務(wù)的流程與進程。

總之，無線感知通信一體化在資源層面和功能層面對信息采集和信息傳遞功能做耦合協(xié)同，預(yù)期具備提升信息處理能力、降低處理時延和提高軟硬件資源效率的技術(shù)效果。下一步，無線感知通信一體化還將與計算和控制一體化設(shè)計，推動6G端到端信息處理技術(shù)目標的實現(xiàn)。