6G通感傳算融合需求分析與關(guān)鍵技術(shù)研究

楊 艷，李福昌，張忠皓

(中國(guó)聯(lián)通研究院，北京 100048)

0 引言

6G做為下一代通信系統(tǒng)，其架構(gòu)和技術(shù)都在發(fā)生較大的變化，其中智能化和融合化是其較為突出的特點(diǎn)。目前，業(yè)界已經(jīng)開始對(duì)6G的應(yīng)用場(chǎng)景和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究[1-3]。目前主流的多個(gè)業(yè)務(wù)融合方向主要為兩個(gè)業(yè)務(wù)融合：通信與感知融合、通信與無(wú)線傳能的融合或者一體化。其中較為主流的融合方式——通感融合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)通信和感知功能的一體化，是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中專網(wǎng)應(yīng)用豐富化的體現(xiàn)，是典型多個(gè)2B業(yè)務(wù)以大規(guī)模全面覆蓋新業(yè)態(tài)出現(xiàn)的具體體現(xiàn)方式。通信和無(wú)線傳能融合在物聯(lián)網(wǎng)等方面有較大的用處，可以對(duì)低能耗的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線充電，實(shí)現(xiàn)不間斷的通信服務(wù)。但是目前的通信+某一個(gè)業(yè)務(wù)融合系統(tǒng)是目前研究的重點(diǎn)，而通信+多于兩個(gè)業(yè)務(wù)的融合目前尚無(wú)相關(guān)的研究。

一方面，從通信和感知融合的角度看，通信和感知發(fā)展在前期都是分離的，到了在5G后出現(xiàn)了相互融合。近兩年，通感融合的研究在高校、產(chǎn)業(yè)界都較為重視，在標(biāo)準(zhǔn)方面，多家公司和高校都對(duì)通感融合標(biāo)準(zhǔn)化投入了大量的人力，并輸出了多份文稿，并且3GPP R19 SA1完成第一個(gè)通感立項(xiàng)，ITU和IEEE 也成立了研究組開展相關(guān)的研究。在學(xué)術(shù)方面，高校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)通感融合的部署廠家[4-5]、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[4-5]、波形設(shè)計(jì)及通感融合在射頻[6-11]都進(jìn)行了大量的研究，并逐步明確了通感一體化技術(shù)的研究路線和關(guān)鍵技術(shù)。

另一方面，信息和能量一起運(yùn)輸?shù)南敕ㄊ怯蒝arshney[12]首先討論的，為了說(shuō)明同時(shí)進(jìn)行信息和功率傳輸?shù)幕拘阅軝?quán)衡，提出了一個(gè)容量-能量函數(shù)，通過(guò)使用具有加性高斯白噪聲(AWGN)的真實(shí)衰落信道。Sahai等人[13]擴(kuò)展了這一想法，通過(guò)考慮單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)，在能量收集和信息解碼之間采用非平凡的權(quán)衡。目前通信與無(wú)線傳能的研究也較多，主要聚焦在共享網(wǎng)絡(luò)的天線能力、一體化射頻、波形選取等[14-16]。

1 6G通信感知傳算融合的應(yīng)用場(chǎng)景分析

6G時(shí)期的通感傳算融合是一種多種業(yè)務(wù)全方位高度融合的應(yīng)用，其主要目標(biāo)是通過(guò)對(duì)一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)，即實(shí)現(xiàn)通信、感知和傳能業(yè)務(wù)共同承載在一套端到端系統(tǒng)上，從而有效提升無(wú)線頻率的利用率、降低設(shè)備重復(fù)部署，達(dá)到低碳的目標(biāo)。圖1為通信、感知和無(wú)線傳能一體化示意圖，圖中給出了比較常見(jiàn)的通感傳能一體化結(jié)構(gòu)，可以將通信功能、感知能力和無(wú)線傳能都集成在基站中，通過(guò)差異化波形、時(shí)隙、頻段和天線陣列進(jìn)行不同業(yè)務(wù)的執(zhí)行，當(dāng)然也不排除使用基站和終端聯(lián)合承擔(dān)通信、感知的傳能的可行性。

圖1 通信-感知-傳能一體化系統(tǒng)

由于將通信、感知和傳能進(jìn)行一體化研究剛處于起步階段，因此需要對(duì)其適用范圍進(jìn)行梳理，尤其是典型的應(yīng)用場(chǎng)景。由于設(shè)備的尺寸、功耗和內(nèi)部設(shè)置都與覆蓋范圍有較大的區(qū)別，因此在典型場(chǎng)景劃分中本文按照室內(nèi)場(chǎng)景和室外場(chǎng)景進(jìn)行劃分。

1.1 室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景

通信-感知-傳能融合業(yè)務(wù)在室內(nèi)場(chǎng)景有較為廣泛的部署空間。其中比較有部署前景的場(chǎng)景可以分為物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景、智能家居場(chǎng)景、智能查表場(chǎng)景、智能安防場(chǎng)景、智能工廠場(chǎng)景等，如圖2所示。下面將對(duì)這些場(chǎng)景的需求進(jìn)行詳細(xì)分析說(shuō)明。

圖2 通感傳融合業(yè)務(wù)的室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景

在智慧家居場(chǎng)景中，有很多小電器需要進(jìn)行通信控制和充電，這些都對(duì)無(wú)線控制和無(wú)線傳能有較強(qiáng)的需求。此外，家居中也對(duì)非法入侵、老人孩子監(jiān)護(hù)等無(wú)線感知業(yè)務(wù)都有較高的需求，如果部署獨(dú)立的相關(guān)設(shè)備對(duì)房屋的布局等都有較大的空間、電力要求，在這類復(fù)雜的需求場(chǎng)景中對(duì)通信-感知-傳能融合設(shè)備的需求是顯而易見(jiàn)的。

在智慧查表場(chǎng)景中，電表、水表和燃?xì)獗砣绻捎脗鹘y(tǒng)的設(shè)備，需要工作人員進(jìn)行查表和設(shè)備的電磁更換，即使使用物聯(lián)網(wǎng)表，也需要進(jìn)行定期的電源更換，對(duì)人力有一定的要求，在這種情況下無(wú)線通信與無(wú)線傳能一體化有較高的需求。同時(shí)，考慮到電表等儀表的安裝區(qū)域可能出現(xiàn)非法人員或者儀器不正常脫落等問(wèn)題，這些可以通過(guò)無(wú)線感知功能進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)。不難看出，在智能查表情況下，通信-感知-傳能可以提升整個(gè)查表場(chǎng)景的智能化。

在智能安防場(chǎng)景中，煙感等傳感器都需要進(jìn)行無(wú)線控制和無(wú)線傳能，并且對(duì)非法入侵等都有較高的要求，因此通感傳融合設(shè)備可以很好地滿足要求，達(dá)到設(shè)備的集約化和高效化。

在智慧工廠場(chǎng)景，尤其是一些安全條件較差的場(chǎng)景，如煤礦場(chǎng)景等都有較多的無(wú)線控制設(shè)備和儀表，且對(duì)特殊險(xiǎn)情都需要進(jìn)行較快的反應(yīng)，在這種情況下通感傳設(shè)備可以從根本上解決安裝位置不足、人員安全隱患等問(wèn)題，保障工廠的高效安全工作。

1.2 室外應(yīng)用場(chǎng)景

通信-感知-傳能融合業(yè)務(wù)中在室外環(huán)境比較有部署前景的場(chǎng)景可以分為車聯(lián)網(wǎng)和巡檢等場(chǎng)景，如圖3所示。下面將對(duì)這些場(chǎng)景的需求進(jìn)行較為詳細(xì)分析說(shuō)明。

圖3 通感傳融合業(yè)務(wù)的室外應(yīng)用場(chǎng)景

智慧交通場(chǎng)景針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同和人員非法入侵等場(chǎng)景給出，由于車聯(lián)網(wǎng)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳輸且要對(duì)公路內(nèi)車輛、人員和物體等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此對(duì)通信和感知都有較高的要求。另外，隨著電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，提供大功率的充電能力，這樣就對(duì)通感傳融合業(yè)務(wù)有較為明確的需求。

智慧巡檢是針對(duì)戶外場(chǎng)景下需要采用無(wú)人機(jī)、巡檢機(jī)器人等進(jìn)行部署的場(chǎng)景，在這些場(chǎng)景中通信、感知和傳能的需求都存在，因此可以通過(guò)部署通感傳設(shè)備進(jìn)行部署。

2 6G通信感知傳算融合關(guān)鍵技術(shù)

通信-感知-傳能融合系統(tǒng)與傳統(tǒng)的通信、感知和傳能獨(dú)立存在的系統(tǒng)或者通感融合系統(tǒng)、通信傳能系統(tǒng)有較大的不同，其射頻設(shè)計(jì)將非常復(fù)雜，且對(duì)頻段的要求更加明確化，需要開展對(duì)無(wú)線資源共享和通感傳算覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的研究。

2.1 一體化RF技術(shù)

通感傳融合技術(shù)需要考慮設(shè)備的一體化，而空口部分的一體化難度極大，最為重要是射頻一體化難度會(huì)隨著多個(gè)不同業(yè)務(wù)共存而逐步提升。一體化射頻與多種技術(shù)相關(guān)，如波形選取、幀結(jié)構(gòu)選取和天線模式等，本節(jié)將著重對(duì)波形技術(shù)和天線模式進(jìn)行介紹。

2.1.1 波形技術(shù)

在5G中，通信波形還是默認(rèn)使用OFDM波形，其具備較高的可攜帶數(shù)據(jù)能力和低能耗，因此在現(xiàn)有無(wú)線通信中使用最為廣泛。而感知波形普遍是采用FMCW等雷達(dá)波形進(jìn)行部署，這種信號(hào)可以對(duì)物體進(jìn)行較為精確的感知。無(wú)線傳能技術(shù)的典型實(shí)現(xiàn)技術(shù)包括4種：感應(yīng)耦合及諧振耦合式、微波輻射及激光輻射式。激光和微波都可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線傳能。綜合現(xiàn)有波形的使用情況，通感傳波形可以選取的波形為OFDM、NOMA[14-15]、FWCW等波形的單一波形或者符合波形。表1給出了不同波形的性能比較。

表1 通感傳波形能力對(duì)比

2.1.2 多天線技術(shù)及資源共享

Massive MIMO技術(shù)是6G中一個(gè)較為明確的研究方向，在IMT2030中也有專門的研究小組進(jìn)行研究，其可以最大化空間可用性。從通感融合來(lái)分析，在同步支持通信和感知的需求后，超大規(guī)模天線可以使用精準(zhǔn)的空間避免相同RB復(fù)用造成的干擾從而提升吞吐量，也可以使用超大規(guī)模天線的高主瓣能量反射后對(duì)需要感知的物體進(jìn)行較為準(zhǔn)確的感知。同時(shí)，隨著波束形成的增加，天線數(shù)量的增加可以促進(jìn)無(wú)線傳能系統(tǒng)獲得更多的能量。因此多天線技術(shù)從本質(zhì)和性能保障等方面都可以滿足通信-感知-傳能融合技術(shù)的要求。Massive是指基站天線陣列中的大量天線，在毫米波頻段等高頻段可以實(shí)現(xiàn)較大陣子數(shù)的天線陣列；為了利用多路徑、天線元件和用戶終端之間的空間信道需要加以表征，稱之為信道狀態(tài)信息(CSI)。此CSI一般表征各天線與各用戶終端之間的空間傳遞函數(shù)的集合，一般采用一個(gè)矩陣(H)來(lái)收集此空間信息，如圖4所示。

圖4 Massive MIMO系統(tǒng)需要信道狀態(tài)信息

CSI矩陣的公式如下所示：

(1)

基站一般是基于CSI而設(shè)計(jì)，以對(duì)天線陣列傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼，使得多路徑信號(hào)會(huì)在用戶終端位置相干疊加。這種濾波還可以用來(lái)線性組合天線陣列RF路徑收到的數(shù)據(jù)，從而檢測(cè)來(lái)自不同用戶的數(shù)據(jù)流。檢測(cè)和預(yù)編碼矩陣基于H計(jì)算。

由于通信-感知-傳能一體化后，需要在一個(gè)無(wú)線系統(tǒng)中對(duì)不同業(yè)務(wù)分配，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)業(yè)務(wù)的資源平衡化。無(wú)線傳能系統(tǒng)的資源分配設(shè)計(jì)在幾個(gè)方面與傳統(tǒng)的無(wú)線系統(tǒng)有所不同。首先，與通信的接收天線相比，傳能的接收天線需要捕獲實(shí)際的電路輸入-輸出特性所需的數(shù)學(xué)模型要復(fù)雜得多，這給資源分配設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)；其次，基于能量的性能指標(biāo)，如收獲的能量和無(wú)線傳能效率，與基于數(shù)據(jù)速率的指標(biāo)一樣重要；再次，傳能會(huì)帶來(lái)額外的共信道干擾對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是有害的，限制了系統(tǒng)的性能。因此，在資源分配設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)抑制或減輕它。在此情況下，目前的研究主要以保證通信的質(zhì)量為基礎(chǔ)，使用較少的頻分、時(shí)分子載波時(shí)隙進(jìn)行感知和傳能，或?qū)SI等參考信號(hào)進(jìn)行加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)通感傳能功能，但如何進(jìn)行多業(yè)務(wù)性能的資源分配還是非常重要的研究方向，需要開展相關(guān)的界限及其計(jì)算方法的研究。面向通感傳融合的Missive MIMO技術(shù)方法可以針對(duì)通信、感知和傳能的需求進(jìn)行有效的波束賦形和資源共享。圖5給出了不同在通感傳融合下的資源分配及天線賦值的下行示意圖。

圖5 不同在通感傳融合下的資源分配及天線賦值示意圖

式(2)給出了在下行波束賦形的計(jì)算方法，其中Xs為感知的輸出波形，Ss為輸入的感知數(shù)據(jù)，Hs為感知的信道編碼矩陣，相應(yīng)的xI，sI，HI分別為通信的輸出波形、輸入的通信數(shù)據(jù)、通信的信道編碼矩陣；XW、HW和SW分別為傳能的輸出波形、輸入的無(wú)線傳能數(shù)據(jù)、傳能的信道編碼矩陣。

(2)

2.2 通感傳算覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

近年來(lái)，智能反射面(IRS)通過(guò)調(diào)整元面的相位和/或振幅響應(yīng)來(lái)控制無(wú)線傳播環(huán)境，可以顯著提高系統(tǒng)的頻譜和能源效率引起了極大的關(guān)注。IRS對(duì)通信-感知-無(wú)線傳能融合系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在功能實(shí)現(xiàn)方面更多的是實(shí)現(xiàn)感知輔助通信和感知輔助傳能的功能，可以通過(guò)逐步迭代更新的定位或者感知獲取信道的變化情況，進(jìn)而IRS基于感知反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整相位、振幅、頻率和極化等參數(shù)來(lái)塑造和控制環(huán)境的電磁響應(yīng) ，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的調(diào)整及遮擋物的避讓，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳能的準(zhǔn)確性，也可以實(shí)現(xiàn)通信吞吐量、時(shí)延的提升。同時(shí)在感知過(guò)程中，通過(guò)IRS進(jìn)行智能化中繼，可以較好地實(shí)現(xiàn)尤其是有遮擋情況下感知信號(hào)的收取，提升三維感知精度。圖6給出了典型場(chǎng)景下如何在有障礙物的情況下，使用IRS進(jìn)行通感傳業(yè)務(wù)的流程。

3 結(jié)論

通信、感知、傳能一體化或者融合是未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，需要開展網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、融合射頻技術(shù)、新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，同時(shí)由于多種業(yè)務(wù)的融合化，網(wǎng)絡(luò)資源共享需要與算力網(wǎng)絡(luò)、人工智能等進(jìn)行高度協(xié)調(diào)，從而構(gòu)建高效能、低成本的新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。