多模式多頻段協(xié)作感知應(yīng)用探究和實踐

韓志強(qiáng)，楊 立，夏樹強(qiáng)

(1.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，廣東 深圳 518057)

0 引言

數(shù)字智能、安全可信、綠色低碳以及普惠平權(quán)將共同描繪未來6G時代的特征。6G新系統(tǒng)將試圖構(gòu)建人、機(jī)、物、智能之間的廣泛互聯(lián)和協(xié)作，助力全人類走進(jìn)全頻譜、全覆蓋、全應(yīng)用和虛擬與現(xiàn)實深度融合的全新時代[1-2]。

6G新系統(tǒng)除了進(jìn)一步提供極致的速率、時延、可靠性等原本通信業(yè)務(wù)需要的性能方面外，還需為更豐富、更高價值的潛在應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)能力和服務(wù)的支撐[3]。目前，業(yè)界探討熱烈的6G新場景和新技術(shù)包括：全息通信、通感互聯(lián)、內(nèi)生智能、數(shù)字孿生等[4]。上述這些6G新場景應(yīng)用都需要各種更先進(jìn)的感知類技術(shù)的支持，比如：沉浸式云XR需要進(jìn)行用戶動作捕捉、手勢交互等；為了實現(xiàn)數(shù)字孿生，各種發(fā)達(dá)的感知技術(shù)將會在物理世界和虛擬世界之間，搭建起邏輯映射和連接互動的橋梁。因此，感知技術(shù)將會成為組成6G新系統(tǒng)的重要一部分，6G新系統(tǒng)也將會實現(xiàn)通感一體化[5]。

1 通感一體化需求與挑戰(zhàn)

1.1 通感一體化需求驅(qū)動

通信和感知操作的共存和協(xié)作其實并不是新概念，在傳統(tǒng)移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)之中的定位、信道估計和預(yù)測、用戶QoE優(yōu)化、網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)等方面，都是感知技術(shù)在通信中不同層面的初步應(yīng)用。特別是基于蜂窩無線信號的定位類技術(shù)和最小化路測MDT等功能，它們在接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、應(yīng)用各個層面，都提供了大量接口和感知類服務(wù)。未來在6G新系統(tǒng)中要實現(xiàn)通感一體化和深度融合，有其必然的客觀需求驅(qū)動。

從技術(shù)角度看，主要有3個驅(qū)動力：

① 芯片和電路技術(shù)的深入發(fā)展，將促使集通信和感知功能為一體的芯片問世，并且呈現(xiàn)出更高的性價比和更低功耗。

② 移動通信技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)都有著向高頻(毫米波、太赫茲等)架構(gòu)和應(yīng)用演進(jìn)的趨勢[6]，從頻譜利用看，未來必然需要將通感二者統(tǒng)一考慮，協(xié)同發(fā)展共享頻譜資源。

③ RIS、太赫茲、大規(guī)模MIMO技術(shù)在無線系統(tǒng)中的成熟應(yīng)用，將會帶來更高精度和分辨率感知性能的潛力。

從市場角度看，主要有4個驅(qū)動力：

① 設(shè)備小型化，雷達(dá)和通信系統(tǒng)在硬件架構(gòu)、信道特性、信號處理等方面非常接近，有可能將兩者的功能深度集成以降低設(shè)備成本和功耗。

② 傳感網(wǎng)絡(luò)，元宇宙、數(shù)字孿生是6G關(guān)鍵應(yīng)用場景，移動網(wǎng)絡(luò)需要能泛在地采集來自物理世界的大量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)泛在感知。

③ 網(wǎng)絡(luò)性能，感知技術(shù)有助于提升移動網(wǎng)絡(luò)自身能力，提高空口性能，提升網(wǎng)絡(luò)容量，改善用戶體驗等。

④ 使能6G新應(yīng)用，通感一體化是使能6G新應(yīng)用的重要抓手，有助于提升運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)平臺價值和可持續(xù)盈利能力[1]。

1.2 通感一體化典型用例

未來的通信感知一體化應(yīng)用將會無處不在，它主要將為終端用戶、垂直行業(yè)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商等各個領(lǐng)域的用戶帶來全新價值。隨著6G新系統(tǒng)支持通感一體化能力和服務(wù)，典型用例將從當(dāng)前個域局域的感知服務(wù)，拓展到(超)廣域的感知服務(wù)，如圖1所示。局域網(wǎng)的感知服務(wù)和應(yīng)用主要集中在室內(nèi)場所，例如：消費(fèi)者、家庭、企業(yè)；而廣域的感知服務(wù)和應(yīng)用主要集中在室外場所，例如：園區(qū)、行業(yè)、社會[5]。

圖1 感知應(yīng)用場景分類和示例Fig.1 Sensing application scenario classification and examples

未來6G新系統(tǒng)提供的局域感知服務(wù)，仍然將面臨來自WLAN等局域網(wǎng)經(jīng)典技術(shù)的競爭。WLAN等局域網(wǎng)技術(shù)在提供局域感知服務(wù)方面具有天生的優(yōu)勢，例如：容易部署、較低的成本和功耗；而(超)廣域感知服務(wù)和應(yīng)用則是6G新系統(tǒng)能夠大展拳腳所在，它能充分利用更泛在且更強(qiáng)大的移動基礎(chǔ)設(shè)施平臺資源。此外，通感一體化除了服務(wù)于垂直行業(yè)和終端用戶外，還可以深度輔助優(yōu)化通信業(yè)務(wù)，提升6G新網(wǎng)絡(luò)自身的能力，主要包括兩方面：

① 提升空口通信能力。比如基站結(jié)合感知信息提升波束賦形性能、服務(wù)連續(xù)性等。

② 在網(wǎng)絡(luò)中感知業(yè)務(wù)應(yīng)用狀況，支持新的感知服務(wù)，提升網(wǎng)絡(luò)QoE等性能。

1.3 通感一體化問題和挑戰(zhàn)

從工業(yè)界業(yè)務(wù)應(yīng)用的角度看，感知能力和服務(wù)在支撐未來6G新應(yīng)用方面有重要作用。從目前的研究來看，實現(xiàn)通感一體化和深度融合還需要進(jìn)一步解決以下問題：

(1) 各個頻段、各種模式下的感知技術(shù)和系統(tǒng)獨(dú)立地工作、缺少彼此協(xié)同[7]

目前，各種感知類技術(shù)集中在各自獨(dú)立的感知技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展，缺少各個頻段、各種模式之間的感知技術(shù)協(xié)同發(fā)展。單一感知技術(shù)無法滿足未來6G新系統(tǒng)的愿景：① 6G新系統(tǒng)將是物理世界和虛擬世界的橋梁，將提供構(gòu)建虛擬世界的感知接口。那就需要多頻段、多模式的感知能力和服務(wù)聯(lián)合著采集物理世界的數(shù)據(jù)，單一頻段或單一模式的感知無法滿足全方位、多維度、多精度的采集需求；② 6G新系統(tǒng)將盡力滿足各行各業(yè)的應(yīng)用需求，而不同行業(yè)的感知需求不同，感知特征應(yīng)用也存在差異，單一頻段和單一模式無法為各個行業(yè)提供綜合解決方案；③ 不同頻段、不同模式的感知技術(shù)可以相互協(xié)作，提高彼此的感知精度。

(2) 通感一體化還需要從算法、架構(gòu)和應(yīng)用三個維度都有所突破

首先，要設(shè)計出統(tǒng)一的波形，通信和感知資源的分配，以及通信和感知之間的干擾抑制。其次，從降低設(shè)備成本的角度考慮，要做統(tǒng)一的基帶射頻和硬件設(shè)計。例如：呼吸檢測、家居安防、家庭娛樂等局域方案更適合通過WLAN等技術(shù)實現(xiàn)。而戶外由于場景環(huán)境復(fù)雜、信道變化大，適合蜂窩網(wǎng)支持的優(yōu)勢場景還需要繼續(xù)探索。

(3) 未來的6G通信新系統(tǒng)將是通感算智一體[4]

未來通感一體化的算力也需要重點(diǎn)考慮，算力將是通感能力服務(wù)和性能的基礎(chǔ)保障。首先，感知涉及數(shù)據(jù)量大、場景眾多，不同場景對感知技術(shù)以及感知的實時性要求不同；其次，算力的載體——硬件的發(fā)展也會影響算力；然后，算力的集中式部署和分布式部署都需要考慮，而且還需要考慮不同位置算力之間的協(xié)同調(diào)度。

2 多模式多頻段協(xié)作感知

雖然業(yè)界已經(jīng)展開了初步的融合研究，比如通過視覺感知來優(yōu)化波束跟蹤[8]，通過高精度定位和環(huán)境繪圖感知來優(yōu)化系統(tǒng)資源策略和配置等[5]。但是，這些方法執(zhí)行成本較高，服務(wù)多用戶時復(fù)雜度高資源開銷較大，在蜂窩基站部署上無法普及。因此，本文提出從多頻段協(xié)作、多模式協(xié)作來擴(kuò)大感知場景范圍，以及增強(qiáng)感知精度或降低感知開銷，包括多種頻段、多模式協(xié)作的協(xié)作方式、多種模式協(xié)作的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計等來提供豐富的感知服務(wù)。

多頻段多模式融合的架構(gòu)如圖2所示。通過多種頻段的基站對物理世界進(jìn)行感知，并且其他模式的感知信息和基站的感知信息在邊緣計算/核心網(wǎng)/云進(jìn)行匯聚處理并開放給其他服務(wù)。

圖2 多頻段多模式融合架構(gòu)Fig.2 Multi-band and multi-mode converged architecture

下面將針對多頻段協(xié)作感知和多模式協(xié)作感知的場景和基本協(xié)作模型方法，在工業(yè)界/實際部署應(yīng)用的角度展開詳細(xì)的分析闡述和對比。

2.1 多頻段協(xié)作感知

6G新系統(tǒng)支持的工作頻段會比5G更多更廣，包括Sub-6GHz、毫米波、太赫茲和可見光，如圖3所示。

圖3 6G不同頻段感知應(yīng)用示例Fig.3 6G different band sensing application examples

由于天然的物理性約束，不同頻段電磁波所能提供的感知功能和業(yè)務(wù)能力是不同的。理論上，頻段越高、波長越短、頻帶越寬，提供的感知精度和時頻分辨率就會越高；但是，由于無線信號的衰減或遮擋，感知有效作用的距離和范圍會越短越小。通常，低頻通感融合信號可以做大輪廓的粗淺感知應(yīng)用，而高頻通感融合信號可以做更精細(xì)的感知應(yīng)用[9-10]。

6G新系統(tǒng)將會充分利用各個頻段的特性，提供豐富的感知服務(wù)。智能家居、智能工廠、車聯(lián)網(wǎng)、公共服務(wù)等都需要多種感知技術(shù)結(jié)合來滿足用戶的需求。以智能家居場景為例，在智能家居場景中存在多種感知場景：家庭健康、居家安防、家庭辦公、家庭娛樂、家電控制等，如圖4所示[11]。不同的場景需要一種或多種感知類技術(shù)來完成綜合感知服務(wù)。例如：通過Sub-6G技術(shù)感知人在室內(nèi)的移動，來控制電燈的開關(guān)；通過毫米波或太赫茲技術(shù)來感知人的跌倒，保證老人獨(dú)自在家的安全；通過毫米波或太赫茲技術(shù)，識別人體的局部變化(比如手勢)來增強(qiáng)家庭娛樂、家庭辦公的應(yīng)用等。

圖4 智能家居的多頻段協(xié)作感知Fig.4 Multi-band cooperative sensing in smart home

如圖5所示，6G新系統(tǒng)可以在環(huán)境監(jiān)測、改善通信、增強(qiáng)定位等場景綜合利用不同頻段的優(yōu)勢和特點(diǎn)，提供綜合的優(yōu)化解決方案。在圖5(a)中，可以綜合利用Sub-6G基站的穿墻效果好，廣覆蓋做低精度的環(huán)境檢測，并同時利用毫米波基站或太赫茲基站在重點(diǎn)區(qū)域做高精度、小范圍的環(huán)境檢測；在圖5(b)中，可以利用Sub-6G基站的廣覆蓋，做低精度的波束跟蹤。而同時毫米波基站可以利用Sub-6G基站提供的波束跟蹤參數(shù)，優(yōu)化毫米波的波束跟蹤，減低毫米波通信自身的波束跟蹤開銷；在圖5(c)中，Sub-6G基站受限于遮擋、穿墻損耗等影響，在這些場景中提供的定位精度不高，因此，可以在重點(diǎn)區(qū)域部署毫米波基站，提高重點(diǎn)區(qū)域的定位精度。

(a) 環(huán)境監(jiān)測

(b) 通信增強(qiáng)

(c) 定位增強(qiáng)

在上述3種場景中，工作在不同頻段的基站(也可以是同基站內(nèi))進(jìn)行信息共享，對特定用戶或區(qū)域進(jìn)行聯(lián)合感知，以便優(yōu)化傳輸或者提供豐富的感知服務(wù)。

2.2 多模式協(xié)作感知

未來6G業(yè)務(wù)需求是豐富多樣的，對感知技術(shù)和應(yīng)用的需求也是多樣的。單一的感知模式是無法滿足復(fù)雜場景下所有需求的。比如在智慧工廠、智慧交通、公共服務(wù)等復(fù)雜場景中，需要用多模式的感知技術(shù)協(xié)作。

以車聯(lián)網(wǎng)為例，SAE將自動駕駛分為L0～L5共6個等級,L0表示無自動化，L5表示完全自動化，從L0到L5自動駕駛能力逐漸升高。L5是由無人駕駛系統(tǒng)完成所有的獨(dú)立駕駛操作，并且可以在所有的道路和環(huán)境條件下駕駛[12]。依靠單車的本地感知功能是無法實現(xiàn)L5的自動駕駛需求的。目前，汽車內(nèi)外的毫米波雷達(dá)雖然可以全天候、全天時工作，具有較強(qiáng)的測距和測速的能力。但是，車載毫米波雷達(dá)具有以下幾個缺點(diǎn)：① 單車感知覆蓋區(qū)域成扇形，有盲點(diǎn)區(qū)域；② 單車由于移動速度快，只掌握瞬時的感知信息，目標(biāo)誤檢漏檢概率大；③ 毫米波雷達(dá)由于前車遮擋，無法檢測被遮擋的區(qū)域狀況(如前車前的水坑，其他車道被遮擋的故障車)；④ 感知作用距離受限，目前毫米波雷達(dá)的感知距離僅僅是100～200 m，但在車速越來越高的情況下，剎車距離要求越來越長，而L5完全自動駕駛需要的剎車距離更遠(yuǎn)。

因此，如圖6所示的單車需要結(jié)合路邊基站、攝像頭等更多感知模式技術(shù)，來擴(kuò)大感知視角，提高感知精度，提升感知有效距離，以便獲得更可靠安全的自動駕駛體驗。路邊基站可提供長時間靜態(tài)的環(huán)境檢測和關(guān)鍵交通特征提取，提升車輛的感知成功率。路邊基站的安放位置往往比較高，可以提供更廣闊的感知視野，從而獲得比車輛更全更準(zhǔn)確的交通感知信息；并且聯(lián)網(wǎng)協(xié)作的多基站可以獲得多角度、多方位、較遠(yuǎn)的感知信息(包括成像、人流、障礙等)，為車輛安全、舒適駕駛提供支持。此外，攝像頭技術(shù)可為車輛提供連續(xù)的圖像信息。因此，車載感知系統(tǒng)或路邊感知系統(tǒng)聯(lián)合利用基站無線感知信息、攝像頭感知信息和車載雷達(dá)感知信息為車輛提供更準(zhǔn)確、更可靠的實時路況信息，助力更強(qiáng)大的自動駕駛。

圖6 車聯(lián)網(wǎng)場景下多模式協(xié)作的感知應(yīng)用示例Fig.6 Example of sensing application of multi-mode collaboration in V2X

6G新系統(tǒng)將進(jìn)一步擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋的廣度和深度，實現(xiàn)全球無縫覆蓋。5G-A演進(jìn)和6G新網(wǎng)絡(luò)將會構(gòu)建起全球廣域覆蓋的空天地一體化三維立體網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供無縫全域覆蓋的通信網(wǎng)絡(luò)和更佳的用戶業(yè)務(wù)體驗[13-14]?？仗斓匾惑w化網(wǎng)絡(luò)除了為用戶提供無盲區(qū)的寬帶移動通信服務(wù)，還可以提供全域的感知服務(wù)。目前，氣象衛(wèi)星觀測范圍廣、觀測效果好、直觀；但是，氣象衛(wèi)星的長處在于：可以對全球范圍進(jìn)行實時觀測，但是被動遙感的精度目前很難達(dá)到對局地中小尺度天氣系統(tǒng)做到精準(zhǔn)觀測[15]。而地基氣象雷達(dá)相比氣象衛(wèi)星的檢測范圍要小，能夠檢測出云層內(nèi)的具體情況，對災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)警，能夠根據(jù)回波信號判斷是層云降水還是積云降水，能夠識別有無可能降雹、有無可能出現(xiàn)龍卷風(fēng)，也能夠準(zhǔn)確分析識別諸如一些天氣系統(tǒng)內(nèi)的具體結(jié)構(gòu)分布。但是，如圖7地面氣象雷達(dá)也具有以下缺點(diǎn)[16]：① 隨著觀測距離增大，受地球曲率影響，存在觀測盲區(qū)；② 山峰、城市高樓等障礙物對雷達(dá)回波影響較大，影響檢測精度；③ 氣象雷達(dá)一般檢測范圍都在上百公里，覆蓋一個城市、區(qū)縣，幾分鐘更新一次，而且容易受到塵埃和折射率分布不均勻的空氣等因素影響，無法對小區(qū)級別的范圍作出實時預(yù)報。

圖7 雷達(dá)感知天氣示例Fig.7 Example of radar sensing weather

在5G和6G通信系統(tǒng)中都將發(fā)揮重要作用的毫米波基站，在完成無線通信數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的同時，還可以用來感知周圍的天氣環(huán)境變化。因此如圖8所示，氣象通信衛(wèi)星、地面氣象雷達(dá)和毫米波基站可組成三位一體的氣象監(jiān)測系統(tǒng)，為小區(qū)級、城市級甚至更大范圍提供更實時、更準(zhǔn)確的天氣預(yù)測，助力出行、應(yīng)急救援、安全生產(chǎn)等應(yīng)用。

圖8 空天地一體化聯(lián)合感知框架Fig.8 Joint sensing framework of air-space-terrestrial integration

3 結(jié)束語

根據(jù)工信部公布的最新信息，截至2022年2月底，中國累計開通5G基站數(shù)超142.5萬，終端連接數(shù)量超過5.2億部，中國的5G建設(shè)已經(jīng)從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)步入應(yīng)用創(chuàng)新的新階段[16]。在5G-A中探索增強(qiáng)感知功能，有助于更好的使能垂直應(yīng)用(車聯(lián)網(wǎng)、智能工廠、公共服務(wù)等)，讓5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮更大的作用。5G網(wǎng)絡(luò)主要部署頻段是sub-6GHz和毫米波，在5G-A中探索Sub-6GHz和毫米波兩個頻段可適用的感知應(yīng)用場景，研究基于無線感知和攝像頭、雷達(dá)等其他感知融合的解決方案，特別是對空口改動較小、網(wǎng)絡(luò)能力適當(dāng)增強(qiáng)的方案。而6G新系統(tǒng)將是全頻段的，目前主要研究的頻段包括sub-6GHz、毫米波、太赫茲和可見光。因此，在未來技術(shù)研究方向上需要著重在以下幾個方面：首先，在全新的6G系統(tǒng)中，研究多種頻段融合的感知方案，在頻譜資源、空口設(shè)計等層面進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，研究多種模式融合的感知方案，與其他模式的感知信息進(jìn)行共享融合，可以在硬件一體化進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計。其次，多頻段、多模式的感知技術(shù)需要在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)做統(tǒng)一考慮，全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以靈活支持融合多種感知技術(shù)，并可以綜合利用這些感知信息。然后，多頻段、多模式感知技術(shù)會采集大量的感知數(shù)據(jù)，AI技術(shù)將在其中發(fā)揮巨大作用，基于多頻段、多模式融合的AI算法需要深入研究。此外，用戶的隱私保護(hù)也是需要著重考慮的內(nèi)容。除了技術(shù)研究外，需要在多頻段、多模式感知技術(shù)的應(yīng)用場景探索，原型和測試驗證進(jìn)一步加強(qiáng)。隨著6G技術(shù)研究的深入，相信多頻段、多模式的感知技術(shù)將在6G新系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。