多模式多頻段協(xié)作感知應用探究和實踐

韓志強，楊 立，夏樹強

(1.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室，廣東 深圳 518057)

0 引言

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

6G新系統(tǒng)除了進一步提供極致的速率、時延、可靠性等原本通信業(yè)務需要的性能方面外，還需為更豐富、更高價值的潛在應用提供網絡能力和服務的支撐[3]。目前，業(yè)界探討熱烈的6G新場景和新技術包括：全息通信、通感互聯、內生智能、數字孿生等[4]。上述這些6G新場景應用都需要各種更先進的感知類技術的支持，比如：沉浸式云XR需要進行用戶動作捕捉、手勢交互等；為了實現數字孿生，各種發(fā)達的感知技術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)移動蜂窩網絡之中的定位、信道估計和預測、用戶QoE優(yōu)化、網規(guī)網優(yōu)等方面，都是感知技術在通信中不同層面的初步應用。特別是基于蜂窩無線信號的定位類技術和最小化路測MDT等功能，它們在接入網、核心網、應用各個層面，都提供了大量接口和感知類服務。未來在6G新系統(tǒng)中要實現通感一體化和深度融合，有其必然的客觀需求驅動。

從技術角度看，主要有3個驅動力：

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

② 移動通信技術和雷達技術都有著向高頻(毫米波、太赫茲等)架構和應用演進的趨勢[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技術在無線系統(tǒng)中的成熟應用，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個驅動力：

① 設備小型化，雷達和通信系統(tǒng)在硬件架構、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備成本和功耗。

② 傳感網絡，元宇宙、數字孿生是6G關鍵應用場景，移動網絡需要能泛在地采集來自物理世界的大量數據，實現泛在感知。

③ 網絡性能，感知技術有助于提升移動網絡自身能力，提高空口性能，提升網絡容量，改善用戶體驗等。

④ 使能6G新應用，通感一體化是使能6G新應用的重要抓手，有助于提升運營商的網絡平臺價值和可持續(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用將會無處不在，它主要將為終端用戶、垂直行業(yè)，網絡運營商等各個領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，典型用例將從當前個域局域的感知服務，拓展到(超)廣域的感知服務，如圖1所示。局域網的感知服務和應用主要集中在室內場所，例如：消費者、家庭、企業(yè)；而廣域的感知服務和應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，仍然將面臨來自WLAN等局域網經典技術的競爭。WLAN等局域網技術在提供局域感知服務方面具有天生的優(yōu)勢，例如：容易部署、較低的成本和功耗；而(超)廣域感知服務和應用則是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大的移動基礎設施平臺資源。此外，通感一體化除了服務于垂直行業(yè)和終端用戶外，還可以深度輔助優(yōu)化通信業(yè)務，提升6G新網絡自身的能力，主要包括兩方面：

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

② 在網絡中感知業(yè)務應用狀況，支持新的感知服務，提升網絡QoE等性能。

1.3 通感一體化問題和挑戰(zhàn)

從工業(yè)界業(yè)務應用的角度看，感知能力和服務在支撐未來6G新應用方面有重要作用。從目前的研究來看，實現通感一體化和深度融合還需要進一步解決以下問題：

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

目前，各種感知類技術集中在各自獨立的感知技術領域發(fā)展，缺少各個頻段、各種模式之間的感知技術協(xié)同發(fā)展。單一感知技術無法滿足未來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聯合著采集物理世界的數據，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)的應用需求，而不同行業(yè)的感知需求不同，感知特征應用也存在差異，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、架構和應用三個維度都有所突破

首先，要設計出統(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，從降低設備成本的角度考慮，要做統(tǒng)一的基帶射頻和硬件設計。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等技術實現。而戶外由于場景環(huán)境復雜、信道變化大，適合蜂窩網支持的優(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考慮，算力將是通感能力服務和性能的基礎保障。首先，感知涉及數據量大、場景眾多，不同場景對感知技術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)同調度。

2 多模式多頻段協(xié)作感知

雖然業(yè)界已經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，服務多用戶時復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)作來擴大感知場景范圍，以及增強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)作的異構網絡的網絡拓撲設計等來提供豐富的感知服務。

多頻段多模式融合的架構如圖2所示。通過多種頻段的基站對物理世界進行感知，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/云進行匯聚處理并開放給其他服務。

圖2 多頻段多模式融合架構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/實際部署應用的角度展開詳細的分析闡述和對比。

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用，而高頻通感融合信號可以做更精細的感知應用[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。智能家居、智能工廠、車聯網、公共服務等都需要多種感知技術結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來完成綜合感知服務。例如：通過Sub-6G技術感知人在室內的移動，來控制電燈的開關；通過毫米波或太赫茲技術來感知人的跌倒，保證老人獨自在家的安全；通過毫米波或太赫茲技術，識別人體的局部變化(比如手勢)來增強家庭娛樂、家庭辦公的應用等。

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、增強定位等場景綜合利用不同頻段的優(yōu)勢和特點，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，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，可以在重點區(qū)域部署毫米波基站，提高重點區(qū)域的定位精度。

(a) 環(huán)境監(jiān)測

(b) 通信增強

(c) 定位增強

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)進行信息共享，對特定用戶或區(qū)域進行聯合感知，以便優(yōu)化傳輸或者提供豐富的感知服務。

2.2 多模式協(xié)作感知

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

以車聯網為例，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L5的自動駕駛需求的。目前，汽車內外的毫米波雷達雖然可以全天候、全天時工作，具有較強的測距和測速的能力。但是，車載毫米波雷達具有以下幾個缺點：① 單車感知覆蓋區(qū)域成扇形，有盲點區(qū)域；② 單車由于移動速度快，只掌握瞬時的感知信息，目標誤檢漏檢概率大；③ 毫米波雷達由于前車遮擋，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。

因此，如圖6所示的單車需要結合路邊基站、攝像頭等更多感知模式技術，來擴大感知視角，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確的交通感知信息；并且聯網協(xié)作的多基站可以獲得多角度、多方位、較遠的感知信息(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)聯合利用基站無線感知信息、攝像頭感知信息和車載雷達感知信息為車輛提供更準確、更可靠的實時路況信息，助力更強大的自動駕駛。

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

6G新系統(tǒng)將進一步擴展網絡覆蓋的廣度和深度，實現全球無縫覆蓋。5G-A演進和6G新網絡將會構建起全球廣域覆蓋的空天地一體化三維立體網絡，為用戶提供無縫全域覆蓋的通信網絡和更佳的用戶業(yè)務體驗[13-14]。空天地一體化網絡除了為用戶提供無盲區(qū)的寬帶移動通信服務，還可以提供全域的感知服務。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：可以對全球范圍進行實時觀測，但是被動遙感的精度目前很難達到對局地中小尺度天氣系統(tǒng)做到精準觀測[15]。而地基氣象雷達相比氣象衛(wèi)星的檢測范圍要小，能夠檢測出云層內的具體情況，對災害性天氣監(jiān)測預警，能夠根據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、有無可能出現龍卷風，也能夠準確分析識別諸如一些天氣系統(tǒng)內的具體結構分布。但是，如圖7地面氣象雷達也具有以下缺點[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回波影響較大，影響檢測精度；③ 氣象雷達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報。

圖7 雷達感知天氣示例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，在完成無線通信數據傳輸業(yè)務的同時，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、更準確的天氣預測，助力出行、應急救援、安全生產等應用。

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

3 結束語

根據工信部公布的最新信息，截至2022年2月底，中國累計開通5G基站數超142.5萬，終端連接數量超過5.2億部，中國的5G建設已經從網絡建設步入應用創(chuàng)新的新階段[16]。在5G-A中探索增強感知功能，有助于更好的使能垂直應用(車聯網、智能工廠、公共服務等)，讓5G網絡發(fā)揮更大的作用。5G網絡主要部署頻段是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用場景，研究基于無線感知和攝像頭、雷達等其他感知融合的解決方案，特別是對空口改動較小、網絡能力適當增強的方案。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、空口設計等層面進行協(xié)同設計，研究多種模式融合的感知方案，與其他模式的感知信息進行共享融合，可以在硬件一體化進行優(yōu)化和設計。其次，多頻段、多模式的感知技術需要在網絡架構做統(tǒng)一考慮，全新的網絡架構可以靈活支持融合多種感知技術，并可以綜合利用這些感知信息。然后，多頻段、多模式感知技術會采集大量的感知數據，AI技術將在其中發(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，用戶的隱私保護也是需要著重考慮的內容。除了技術研究外，需要在多頻段、多模式感知技術的應用場景探索，原型和測試驗證進一步加強。隨著6G技術研究的深入，相信多頻段、多模式的感知技術將在6G新系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。