多頻段協(xié)同通信的新機遇
——太赫茲通信感知一體化

胡田鈺/HU Tianyu，李玲香/LI Lingxiang，陳智/CHEN Zhi

（電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室，中國 成都 611731）

為緩解海量流量需求與緊缺頻譜資源之間的尖銳矛盾，有必要在下一代移動通信系統(tǒng)（6G）中研究并部署基于Sub-6 GHz、毫米波和太赫茲（THz）頻段（0.1～10 THz）的全頻譜通信。為此，國際電信聯(lián)盟（ITU）于2019年世界無線電大會（WRC2019）上為固定和移動業(yè)務(wù)標識了范圍為275～450 GHz的新增頻段。然而，單一頻段使用往往存在極大的局限性，如Sub-6 GHz頻段雖然技術(shù)十分成熟且已大面積部署，但無法支持高速率的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用；而毫米波和THz頻段則難以承擔較大覆蓋范圍內(nèi)的通信服務(wù)，且其嚴重的路徑損耗和易阻塞性又導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性和部署難度大大提高。因此，我們可以通過多頻段的協(xié)同來實現(xiàn)高速率、廣覆蓋、高質(zhì)量的通信服務(wù)，以滿足未來如圖1所示場景的沉浸化、智慧化、全域化的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

圖1 沉浸化、智慧化、全域化的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求場景［1］

自2020年2月ITU在無線電通信部門5D工作組（ITUR WP5D）會議上啟動面向2030及未來（6G）的研究工作之后，中國的IMT-2030（6G）推進工作如火如荼地開展。其中，隨著THz通信和通信感知一體化等6G潛在關(guān)鍵技術(shù)的不斷推進，THz通信感知一體化（簡稱通感一體化）技術(shù)被提出，以更好地實現(xiàn)智慧城市、全息通信、擴展現(xiàn)實等新興應(yīng)用及其相關(guān)業(yè)務(wù)（如人工智能、沉浸式交互和數(shù)字孿生等）。THz通感一體化不僅可以基于THz頻段的極高頻率以Tbit/s速率來實現(xiàn)業(yè)務(wù)的海量數(shù)據(jù)傳輸，也可以基于THz頻段的極大帶寬來實現(xiàn)高精度和高分辨率感知。另外，所獲取的物理環(huán)境感知信息還可用來輔助THz通感一體化的通信功能，如THz波束的快速對準和跟蹤、智能定向組網(wǎng)等。然而，THz信道所面臨的嚴重的路徑傳播損耗、較弱的衍射能力（即阻塞敏感性）和不可忽略的分子吸收現(xiàn)象同樣使THz通感一體化技術(shù)的通信和感知范圍受限。

多頻段協(xié)同的無線通信往往關(guān)注Sub-6 GHz和毫米波頻段/THz頻段之間的協(xié)同，如帶外信息輔助的毫米波信道估計和環(huán)境感知、控制面用戶面分離架構(gòu)下的控制信令低頻傳輸和有用數(shù)據(jù)高頻傳輸，以及對應(yīng)的高低頻無線協(xié)作組網(wǎng)等。然而，對于面向上述新興應(yīng)用和業(yè)務(wù)的THz通感一體化技術(shù)，現(xiàn)有的多頻段協(xié)同通信技術(shù)卻難以提供支持。上述業(yè)務(wù)的超高速通信需求可以通過具備THz頻段的多頻段協(xié)同通信技術(shù)來滿足，這在一定程度上擴展了其通信覆蓋范圍和業(yè)務(wù)支持范圍。THz的多頻段協(xié)同所要求的物理環(huán)境感知信息卻難由現(xiàn)有多頻段協(xié)同通信技術(shù)來提供，以至于感知覆蓋范圍和感知信息豐富度受限，且難以對THz通信進行更有效的輔助。因此，基于THz通感一體化對多頻段協(xié)同通信技術(shù)進行研究將會使該技術(shù)得到新的發(fā)展。通過多頻段的感知協(xié)同和通信協(xié)同來增強THz通感一體化，可以助力數(shù)字孿生世界的多維構(gòu)建和萬物智聯(lián)的發(fā)展。

1 多頻段協(xié)同的無線通信

1.1 相關(guān)協(xié)議及標準

在5G系統(tǒng)中，多頻段協(xié)作的無線通信主要是通過互通來實現(xiàn)的，由此可以提高總體數(shù)據(jù)速率，并實現(xiàn)控制面與數(shù)據(jù)面的分離。具體而言，第3代合作伙伴計劃（3GPP）發(fā)布的第一個5G新空口（NR）標準（即3GPP release 15）及其后續(xù)標準提出，高頻NR系統(tǒng)可以與低頻NR或低頻長期演進（LTE）系統(tǒng)進行互通。因此，互通可以在NR內(nèi)的載波聚合、具有公共分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）層的雙連接或多連接以及切換等層級上實現(xiàn)。其中，雙連接或多連接指的是把一個終端連接到兩個或多個小區(qū)組的場景。因此，在5G NR非獨立組網(wǎng)架構(gòu)下，由低頻LTE節(jié)點（即ng-eNB）組成的主小區(qū)組（MCG）負責處理控制面和（可能的）用戶面信令的高可靠傳輸，而由高頻NR節(jié)點（即gNB）組成的輔小區(qū)組（SCG）則負責用戶面數(shù)據(jù)的高速率傳輸。3GPP還針對多連接技術(shù)發(fā)布了對應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，即TS 37.340。在該規(guī)范中，3GPP不僅給出了多連接技術(shù)在用戶面和控制面的無線協(xié)議架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)接口，還給出了與媒介訪問控制（MAC）層、無線鏈路控制（RLC）層、無線資源控制（RRC）功能等相關(guān)的概述。我們給出了多連接技術(shù)在用戶面和控制面的無線協(xié)議架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 多連接技術(shù)在用戶面和控制面的無線協(xié)議架構(gòu)

針對非3GPP接入技術(shù)的無線局域網(wǎng)（WLAN），IEEE 802.11協(xié)議組織提出一種名為“快速會話遷移（FST）”的多頻段互操作技術(shù)。該技術(shù)可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的Sub-6 GHz頻段和毫米波頻段之間的三頻段Wi-Fi切換，即5 GHz、2.4 GHz和60 GHz之間的Wi-Fi通信切換。具體而言，該技術(shù)可以讓會話基于IEEE 802.11ad協(xié)議在毫米波信號覆蓋范圍內(nèi)進行高速數(shù)據(jù)傳輸；而當毫米波信號受到阻礙時，會話又可以被無縫切換至基于802.11a/b/g/n/ac協(xié)議的Sub-6 GHz頻段數(shù)據(jù)傳輸。文獻[10]指出，基于FST的多頻段協(xié)作是通過定義IEEE 802.11低頻MAC層與高頻MAC層之上的一種接口來實現(xiàn)的，即定義一個用于多頻段協(xié)作的公共上層MAC。以高頻切換至低頻為例，站點可以將毫米波頻段MAC幀內(nèi)容轉(zhuǎn)移至Sub-6 GHz頻段，進而利用Sub-6 GHz信道來傳輸毫米波信道的控制信令和有用數(shù)據(jù)。

1.2 基于多頻段協(xié)同的無線通信技術(shù)

全球的研究人員對基于多頻段協(xié)同的無線通信技術(shù)展開了大量研究，更為關(guān)注Sub-6 GHz和毫米波/THz頻段之間的協(xié)同方式及其帶來的通信性能增益。對于物理層上的多頻段協(xié)同通信而言，絕大部分研究者將獲得的Sub-6 GHz信道信息視為帶外信息，用以輔助毫米波通信?；赟ub-6 GHz信道和毫米波信道的空間相關(guān)性，文獻[11]對毫米波信道參數(shù)進行粗略估計，進而輔助毫米波通信鏈路的配置。此外，也有研究者基于深度學(xué)習來提高Sub-6 GHz的帶外信息的利用率。如文獻[4]不僅證明了存在一個足夠大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)從Sub-6 GHz信道到最佳毫米波波束和阻塞狀態(tài)的預(yù)測，還開發(fā)了一個深度學(xué)習模型，以極高的成功概率預(yù)測毫米波阻塞和最佳波束，無需波束訓(xùn)練開銷。

針對無線通信系統(tǒng)MAC層的多頻段協(xié)同通信技術(shù)，研究者們提出可以基于sub-6 GHz信道來發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點并交換控制信息，進而可以基于毫米波或THz信道來檢查信道狀況和高速傳輸數(shù)據(jù)。因此，文獻[12]提出了一種由毫米波或THz信道回退至Sub-6 GHz（或微波）信道來返回確認（ACK）信息的MAC協(xié)議。得益于多頻段信道的空間相關(guān)性，文獻[5]所提出的MAC協(xié)議不僅可以基于Sub-6 GHz全向射頻信號來傳輸控制信令，還能從中提取出發(fā)角、到達角等空間信息，進而實現(xiàn)緩解鏈路阻塞和避免“耳聾效應(yīng)”的協(xié)議效果。

此外，針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署中基于雙連接技術(shù)的高低頻無線協(xié)作組網(wǎng)性能，部分研究者已展開研究。其中，數(shù)據(jù)面除了由宏基站負責維護之外，也可以存在于微小基站中。例如，文獻[6]提出了一種由毫米波基站和Sub-6 GHz無人機基站組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并對該垂直異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在覆蓋概率和頻譜效率方面的性能進行分析。文獻[13]基于Sub-6 GHz、毫米波和THz協(xié)作而成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種以用戶為中心的動態(tài)基站集群設(shè)計。而文獻[14]提出了一種具有無線回程能力的以THz網(wǎng)絡(luò)為主的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。文獻[13]、[14]均對THz網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和覆蓋范圍進行了權(quán)衡考慮。

2 6G賦能的多頻段協(xié)同

為進一步加快6G關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，IMT-2030（6G）推進組于2022年4月成立試驗任務(wù)組，開展THz通信、通感一體化、智能超表面等6G潛在關(guān)鍵技術(shù)的驗證與測試評估工作。正值6G概念形成及關(guān)鍵技術(shù)儲備的關(guān)鍵窗口期，我們有必要結(jié)合6G潛在關(guān)鍵技術(shù)來探討多頻段協(xié)同通信技術(shù)的新發(fā)展。

在上述6G潛在關(guān)鍵技術(shù)中，THz通信已與現(xiàn)有多頻段協(xié)同通信技術(shù)進行了淺層次的結(jié)合，如文獻[5]、[12]—[14]所實現(xiàn)的THz通信覆蓋范圍和業(yè)務(wù)連續(xù)性的增強。而對于其他6G潛在關(guān)鍵技術(shù)，一方面如智能超表面、算力網(wǎng)絡(luò)等在硬件、計算方面的技術(shù)難以與多頻段協(xié)同通信技術(shù)進行結(jié)合；另一方面，適用于Sub-6 GHz或毫米波通感一體化技術(shù)的業(yè)務(wù)場景對由THz頻段提供的高精度感知信息或Tbit/s速率并無迫切需要（因其一體化后獲得的低精度感知信息和Gbit/s速率已足夠用于輔助定向性不強的Sub-6 GHz或毫米波通信）。相反，對于THz通感一體化技術(shù)而言，其所獲得的高精度但小范圍感知信息可能無法保證對THz通信的有效輔助及對應(yīng)信號覆蓋范圍的增強。這不僅僅是THz信道的分子吸收、阻塞敏感性和高傳播損耗等信道特性造成的，還與THz通信過程中的波束分裂現(xiàn)象、近場天線特性等有關(guān)。

因此，在現(xiàn)有6G潛在關(guān)鍵技術(shù)中，唯有THz通感一體化技術(shù)可以與多頻段協(xié)同通信進行深層次結(jié)合，即通過Sub-6 GHz或毫米波頻段提供的低精度、大范圍感知信息和通信信令、一體化后THz頻段提供的高精度、小范圍感知信息等多維度、多粒度廣域信息來輔助THz通信，進而更有效地滿足未來人工智能、沉浸式交互和數(shù)字孿生等業(yè)務(wù)的6G應(yīng)用需求。因此，THz通感一體化可以促進多頻段協(xié)同通信的新發(fā)展，這是多頻段協(xié)同通信技術(shù)的新機遇。

2.1 THz通感一體化

本文所關(guān)注的THz通感一體化聚焦于以通信為中心的一體化設(shè)計，即通過空口及協(xié)議聯(lián)合設(shè)計、時頻空資源復(fù)用、硬件設(shè)備共享等手段，實現(xiàn)以THz通信為主、THz感知為輔的統(tǒng)一設(shè)計，進而以一體化的高精度物理感知信息輔助高速率數(shù)據(jù)傳輸，提升THz通信的整體性能和業(yè)務(wù)能力。得益于THz頻段的超大帶寬，THz通感一體化技術(shù)的通信能力適合中近距離下的高速率數(shù)據(jù)傳輸場景，但THz信道的高傳輸損耗和分子吸收促使THz通感一體化技術(shù)采用超大規(guī)模天線來獲得極窄波束和對應(yīng)天線增益。高定向性的THz通感一體化信號雖然增加了THz通信鏈路的建立難度，但一體化的實時高精度感知信息則可以對此進行相應(yīng)輔助。

THz通感一體化技術(shù)中的感知能力聚焦于主動且交互式的無線信號感知。具體而言，首先THz通感一體化設(shè)備通過對主動發(fā)出的THz信號、感知目標（以用戶/基站為代表的）反饋的交互信息、經(jīng)物理環(huán)境（以障礙物為代表的）調(diào)制后的THz回波信號進行處理；其次，再以THz波束的高方向性分析信號的直射、反射、散射、透射情況；最后，完成對目標對象和物理環(huán)境的定位、測距、測速、成像等功能，實現(xiàn)對周圍通信環(huán)境的感知探索，并由此輔助THz通感一體化的通信功能。需要說明的是，THz信號不僅可以通過對許多介電材料和非極性物質(zhì)的良好穿透來實現(xiàn)材料探測等感知功能，還可以基于與低頻信號完全不同的散射特性來獲取更豐富的環(huán)境感知信息。

2.2 面向太赫茲通信感知一體化的多頻段協(xié)同

面向THz通感一體化的多頻段協(xié)同技術(shù)主要分為多頻段通信協(xié)同和多頻段感知協(xié)同兩部分。一方面，多頻段通信協(xié)同以通信方式進行協(xié)同，進而輔助THz通感一體化設(shè)備的通信功能。例如，可以通過Sub-6 GHz或毫米波信號傳輸控制信令的協(xié)同來提升THz通信可靠性，或通過Sub-6 GHz或毫米波信號傳輸大范圍內(nèi)（潛在）基站/用戶信息（如基站位置、用戶ID等）的協(xié)同來豐富感知信息，便于移動THz通感一體化設(shè)備的快速鏈路建立。另一方面，多頻段感知協(xié)同則以感知方式的協(xié)同來輔助THz通信功能。例如，可以通過周期性的Sub-6 GHz或毫米波信號的低精度、大范圍環(huán)境感知和突發(fā)性THz通信需求下的THz高精度、小范圍環(huán)境感知來實現(xiàn)感知協(xié)同。對此，可基于感知信息來預(yù)測障礙物移動軌跡、流量使用情況等，進而實現(xiàn)THz通感一體化設(shè)備的有效波束管理、小區(qū)切換和網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點部署等決策。

總體來說，面向THz通感一體化的多頻段協(xié)同旨在通過多頻段信號實時獲取通信和感知維度上具有粗粒度和細粒度的廣域感知信息。其中，粒度的差別在于物理環(huán)境感知信息的感知精度和感知分辨率有所不同。需要說明的是，所獲取的多維度、多粒度廣域感知信息雖然可以直接用于若干有利于THz通信的決策算法，但感知信息的多樣性無疑將帶來較高的計算復(fù)雜度和較低的算法通用性。因此，上述感知信息還可用于構(gòu)建若干（關(guān)于通信設(shè)備、障礙物、空氣濕度等的）數(shù)字孿生體，即實現(xiàn)物理通信環(huán)境到虛擬數(shù)字環(huán)境的深度映射和實時交互。THz通感一體化設(shè)備可基于所構(gòu)建的數(shù)字孿生體來準確估計（潛在）用戶/基站和物理環(huán)境在下一時隙的狀態(tài)和屬性，進而快速有效地實現(xiàn)Sub-6 GHz、毫米波和THz頻段的頻譜資源管理、THz通信鏈路建立和波束切換/小區(qū)切換、THz定向組網(wǎng)中的干擾管理和中繼節(jié)點部署等決策。

3 多頻段協(xié)同通信的關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

考慮到多頻段感知/通信協(xié)同為THz通感一體化帶來的額外系統(tǒng)增益和對應(yīng)的系統(tǒng)復(fù)雜度，面向THz通感一體化的多頻段協(xié)同技術(shù)存在著諸多關(guān)鍵技術(shù)及對應(yīng)挑戰(zhàn)。對此，本文將結(jié)合兩個典型實例來進行闡述和分析，其中基于毫米波或Sub-6 GHz的射頻感知系統(tǒng)和THz通感一體化系統(tǒng)將協(xié)同共站部署。

3.1 基于數(shù)字孿生的多頻段協(xié)同

基于數(shù)字孿生的多頻段協(xié)同旨在通過評估若干數(shù)字孿生體的變動信息來為THz通感一體化系統(tǒng)進行合理的多頻段感知/通信協(xié)同。該實例設(shè)定低頻射頻感知系統(tǒng)和THz通感一體化系統(tǒng)可以分別通過現(xiàn)有數(shù)字孿生建模技術(shù)，事先得到包含固定物理環(huán)境信息和（潛在）基站/用戶信息的粗粒度和細粒度的若干數(shù)字孿生體。因此，該實例中的多頻段協(xié)同方法可被設(shè)計為：（1）某時隙下由射頻感知系統(tǒng)通過回波/交互信號得到粗粒度的若干數(shù)字孿生體；（2）如果數(shù)字孿生體與之前存在較大差別（例如障礙物移動、潛在用戶激活等），則對其進行更新，并將對應(yīng)信令傳遞給THz通感一體化系統(tǒng)；（3）THz通感一體化節(jié)點在下一時隙對存在數(shù)字孿生體變動的方向進行THz感知，并對相應(yīng)細粒度數(shù)字孿生體進行局部更新，以便于該時間塊下基于數(shù)字孿生輔助的THz通信。

該實例的首要技術(shù)挑戰(zhàn)在于如何結(jié)合THz通信對數(shù)字孿生體的變動情況進行準確建模和評估，進而保證多頻段協(xié)同對THz通信輔助的有效性。例如，如果THz通感一體化節(jié)點長時間在某方向上和用戶/基站進行通信，則可以適當忽略其余方向上數(shù)字孿生體的變動情況，即降低其余方向上的THz感知頻次。如何將低頻感知系統(tǒng)和THz通感一體化之間的控制信令融入現(xiàn)有5G NR協(xié)議架構(gòu)同樣是一大技術(shù)挑戰(zhàn)，并且需要盡量減少對現(xiàn)有協(xié)議的調(diào)整，以便于運營商方面的技術(shù)部署。

3.2 基于深度強化學(xué)習的多頻段協(xié)同

基于深度強化學(xué)習的多頻段協(xié)同旨在通過離線/在線訓(xùn)練后的深度強化學(xué)習模型來逐步優(yōu)化面向THz通感一體化系統(tǒng)的多頻段感知/通信協(xié)同策略。該實例設(shè)定低頻射頻感知系統(tǒng)周期性地進行粗粒度感知，而THz通感一體化系統(tǒng)則根據(jù)突發(fā)性的通信請求進行細粒度感知。因此，該實例中的多頻段協(xié)同方法可被設(shè)計為：深度強化學(xué)習模型在障礙物位置、用戶/基站狀態(tài)、THz通感一體化系統(tǒng)感知狀態(tài)和通信請求等狀態(tài)下，對THz感知的開始/結(jié)束時刻、用于低頻或THz射頻感知的帶寬等動作進行決策，以實現(xiàn)由障礙物/用戶軌跡預(yù)測或者波束對準跟蹤等行為引出的THz通信性能最優(yōu)化這一長期回報。

該實例面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)在于如何在5G NR協(xié)議架構(gòu)下，對深度強化學(xué)習模型中的回報函數(shù)、狀態(tài)空間和動作空間進行合理建模，以及對實現(xiàn)動作決策和長期回報評估的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行合理設(shè)計。此外，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的有效構(gòu)建同樣是該實例需要應(yīng)對的一大技術(shù)挑戰(zhàn)：離線訓(xùn)練時，需要獲得大量適配于THz通感一體化場景的模擬通信數(shù)據(jù)；在線訓(xùn)練時，可能會由于模型失配下的THz通信鏈路中斷而獲取極少的實際通信數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

為滿足未來人工智能、沉浸式交互和數(shù)字孿生等業(yè)務(wù)的6G應(yīng)用需求，THz通感一體化為多頻段協(xié)同通信技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機遇。面向THz通信感知一體化，多頻段協(xié)同技術(shù)所帶來的多維度、多粒度廣域感知信息將有效支撐THz通信能力的廣域拓展，助力6G“萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生”愿景的實現(xiàn)。

本文在撰寫過程中得到電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室李少謙教授的幫助，謹致謝意！