6G通信感知融合指標仿真方法研究

陳仲華，金凌，孫劍平

（中國電信股份有限公司研究院，上海 200122）

0 引言

近年來，隨著5G網絡的逐漸普及，5G除了提供更高的通信速率以外，在行業應用領域中承擔了越來越重要的角色，如工業互聯網、擴展現實（exten2e2 reality，XR）通信、無人機、車聯網等場景。在實際應用中，5G技術沒有專題對通信感知融合場景進行研究，在一些實現中難以滿足應用的需求，例如，5G的感知僅限于定位，而實際應用中除了定位需求，更存在一些對物體運動狀態（位置、速度等）的感知要求。此外，通常5G只具備二維場景的感知能力，難以實現對現實環境的三維感知，在感知精度上一般也只能實現亞米級的精度。因此，在6G中如何針對不同的應用合理提供通信感知融合的性能，就成為了6G網絡技術的重要研究方向之一[1-3]。目前6G通感融合預期能夠實現高速移動環境中的三維物體感知，感知精度可達厘米級。

1 通感融合仿真的模式與指標

1.1 典型模式

6G通感融合按照場景和實現技術的不同可以分為兩種模式，模式一為應答感知模式，通信系統針對具備通信能力的終端進行感知，即感知的電磁波通過基站發射以后，直接在終端側進行處理和計算；模式二為反射感知模式，通信系統針對普通物體進行感知，即感知的電磁波通過基站發射，并由終端發射回基站，在基站側進行處理和計算。

應答感知模式場景基于通信終端實現通感融合，基于通信終端的通感融合模式如圖1所示。

圖1 基于通信終端的通感融合模式

基站發射的下行通信信號中包含感知信號，一種常見的方式是利用通信信號中的信道檢測導頻實現信號衰減、時延、波束掃描等功能，在用戶設備（user equipment，UE）獲取定位、測距、測速、測角等參數，并通過信令上報給基站，由基站進行分析，實現對UE的感知。此模式用于感知的電磁波只需要單程穿越信道，總體上符合二次雷達方程，如式（1）所示[4]。

其中，maxR為電磁波感知的最遠距離，tP為發射功率，tG為基站發射天線增益，rG為終端接收天線增益，λ為電磁波波長，minS為接收機的靈敏度。

反射感知模式場景為基站感知普通物體，在這種模式下需要基站接收自身發出的電磁波在物體上的回波信號，并通過回波信號的分析來實現物體的定位，基于回波探測的通感融合模式如圖2所示。

圖2 基于回波探測的通感融合模式

基站發射電磁波之后，經過被測物體的反射由基站接收，基站通過集成雷達系統實現對物體的定位、測距、測速、測角功能。此模式中通感融合的信號需要往返穿越通信信道，總體上符合標準的四次雷達方程，如式（2）所示[4]。

其中，σ為被測目標的雷達截面積。

應答感知模式與反射感知模式相比，衰減、干擾較小，一般具有更好的性能。雖然，基于反射回波的通感融合感知的性能提升難度更大，但是回波感知的方式對終端的通信能力沒有要求，適合更廣泛的應用場景。同時，該模式可以通過多基站聯合探測方案提升整體的感知性能。

1.2 常用指標

評價通信-感知融合系統的性能可以結合業內傳統的空口性能指標（參考3GPP、ITU相關標準[5-7]）和與雷達相關的性能指標（如IEEE相關標準[8-9]）。常用通感融合系統性能評價指標見表1。

表1 常用通感融合系統性能評價指標

在衡量通感融合系統的性能時，感知指標與通信指標通常是相互制約的，聯合分析這兩類指標即可反映融合系統的有效性和優化能力。仿真系統也是通過聯合分析通信和感知指標實現對方案理論性能的評估。

2 仿真方法與實現

2.1 仿真系統框架

通感融合仿真系統通過模擬通感基站和終端之間的通信和感知過程，利用理論分析的方式來評估系統的設計性能。通感融合仿真系統架構如圖3所示。

仿真系統主要由信源、信道、接收與回波以及分析等部分組成。其中信源部分主要仿真生成通感融合的發射信號，信道部分主要通過構建環境模型仿真發射信號和回波信號傳播的路徑特性，接收與回波仿真主要完成信號的接收解調，同時根據散射特性生成反射的回波，為信號指標的分析提供基礎，分析部分是仿真系統的重要核心，可以根據系統的設計特征、理論計算方法和變量關系，生成分析的圖表，并展示相應的關系。

圖3 通感融合仿真系統架構

2.2 信源模塊仿真

信源仿真隨機生成發射數據，通過調制、波形生成和成幀，實現發射信號的構建。通常信源的生成需要根據系統采用的調制、編碼技術實現。目前產業界比較常用的調制技術包括正交相移鍵控（qua2rature phase shift keying，QPSK）、正交振幅調制（qua2rature amplitu2e mo2ulation，QAM）等，常用的編碼技術主要是正交頻分復用（orthogonal frequency 2ivision multiplexing，OFDM）技術時頻域采樣和編碼。因此，信源生成通常包含調制單元和快速傅里葉逆變換（inverse fast Fourier transform，IFFT）變換單元，用來生成典型的OFDM信號。

OFDM是將一系列正交的子載波組合在一起，將一個大帶寬信號分割成眾多的窄帶子載波，并將原始離散信號調制到子載波上進行傳輸的方式。其仿真的基本參數設定主要基于子載波帶寬、比特率和保護間隔。其中保護間隔占用的功率通常為1 2B，即占整個符號周期長度的20%。根據保護間隔推算得出符號周期后，根據所要傳輸的比特率和允許使用的帶寬再選擇合適的調制類型、編碼速率和快速傅里葉變換（fast Fourier transform，FFT）點數。

2.3 信道模塊仿真

通感融合實現模式不同，信道仿真模塊也有所不同。針對單向感知模式，信道仿真通過模擬不同的傳輸路徑特性，一般采用信道特征矩陣描述。信道特征矩陣與信源發射矩陣進行時域卷積，可以生成接收信號矩陣。針對回波感知模式，信道仿真除了需要模擬不同的發射信號傳輸路徑特性，還需要模擬回波信號的傳輸路徑特性，由于無線傳輸信道一般是時變信道，通常發射信號傳輸路徑的特性不同于回波信號的傳輸路徑特性，需要用不同的傳輸特性矩陣進行描述。有時在分析一些時變特性較少的信道時，為簡化仿真系統復雜度，回波信道的仿真模型也可以采用發射信道的仿真模型。

無線信道模型主要包含路徑損耗、天線增益、衰落模型和噪聲與干擾等模型。路徑損耗是電磁波發射以后，經過一定距離后功率衰減的情況；天線增益指實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比，對于有向天線相當于能夠獲取額外的功率增益。在仿真系統中，可以通過將經過路徑損耗的發射信號功率乘以天線增益來綜合反映功率的衰減幅度。衰落模型主要有慢衰落和快衰落兩種方式，通常慢衰落與路徑損耗有關，快衰落與多徑傳輸中信號的疊加以及環境參數（如遮擋）有關，仿真快衰落時通常可以結合是否具有視距傳輸路徑，采用不同的統計模型進行仿真，例如，在無視距傳輸場景下可以采用瑞利多徑傳輸衰落模型，在有視距傳輸場景下可以采用萊斯多徑傳輸衰落模型。在噪聲和干擾仿真時，一般假設信道中存在的是高斯白噪聲，可以全頻段引入正態分布的噪聲矩陣，與信號進行疊加，可以模擬信號在收到干擾以后的功率強度的變化，在仿真接收端可以設置接收門限，從而實現誤碼率的仿真。對于干擾需要設置干擾信號的時頻域特征，其對信號的影響一般是短時局部頻點的。增加干擾信號可以考察系統設計時的干擾保護、預調制、預失真技術的抗干擾性能。

2.4 接收與回波仿真

接收端通常是發射端的逆過程，接收信號需要進行FFT、解調等步驟，最終獲取接收信號的矩陣。在獲取接收信號后，需要進行仿真變量的統計工作，統計變量的選擇和統計方法主要由仿真目標方案和理論推導的變量關系為基礎，例如，將接收矩陣與發射信號矩陣比較可以統計誤碼率，誤碼率對于檢驗通信的峰值速率有重要意義。還可以統計接收信號的功率與仿真的噪聲的功率比，從而更好地估計通信的質量。

此外，在仿真采用回波感知技術的系統時，接收端需要構建回波信號，該信號不需要進行解碼、解調，但是需要進行物體反射特性的仿真運算，物體反射的參數可以參考物體雷達截面積的計算方法。在遠場和線性散射條件下，可以通過物體反射電磁波的極化矩陣來表示電磁波的散射特性，即接收端發射的回波信號需要乘以物體的極化特性矩陣，由此生成回波信號。

2.5 仿真分析方法

仿真分析方法一般與需要研究的指標和實現技術有關，例如，如果需要研究系統的接收靈敏度、誤碼率，可以通過仿真信噪比指標的仿真實現[10]；需要研究自干擾情況，可以從通信信號和感知信號的功率調度算法仿真來實現。以下給出基于本文仿真系統，研究通感波形的頻譜效率和感知距離分辨率之間關系的一個仿真案例，以此說明仿真系統的試驗過程。

通常在評價通感融合技術的性能時，感知距離分辨率和通信頻譜效率是一對衡量指標，可以反映融合波形在滿足探測不同物體距離間隔精度要求時能夠達到的通信性能。一般情況下感知距離分辨率與感知信號占用的頻譜帶寬有關，其關系如式（3）所示。相應地，在通感融合場景下等效的頻譜效率計算式如式（4）所示。

其中，B為信號總帶寬；rB為通感融合波形占用的帶寬；cB為通信波形占用的帶寬；φ為通感復用系數，該系數反映通感融合波形的通信復用能力，即等帶寬的通感融合波形與通信波形傳輸信息最大速率的比值；i表示第i個終端。

根據3GPP TR38.211相關標準[11]，物理層頻譜資源被按照時頻域分成資源塊，3GPP TR38.211時頻域資源管理示意圖如圖4所示，在OFDM信號將無線資源從時間和頻率維度進行了劃分，其中每一個OFDM符號表示一個FFT頻率采樣周期內的子載波數量。

圖4 TR38.211時頻域資源管理示意圖

為方便示意，仿真中不考慮通信子載波和感知子載波復用的優化方案，所有子載波單獨作為通信或者感知使用，也不考慮通信子載波中的保護冗余。仿真中設置OFDM信號的FFT頻率采樣點數為8 192，子載波間隔為120 kHz。將其中128～1 024個子載波用于感知，其余子載波全部用于通信。通感波形無復用條件下的感知分辨率與頻譜利用率仿真關系如圖5所示，在未優化場景下，頻譜利用率在95%～100%變化時可以有效改善感知精度，但當頻譜利用率下降到95%以下時，提高感知精度會導致頻譜利用率快速下降。如果采用通信、感知復用的優化波形，應實現對頻率利用率和感知分辨率的通感復用系數φ的優化。

圖5 通感波形無復用條件下的感知分辨率與頻譜利用率仿真關系

3 結束語

仿真系統作為6G通感融合技術驗證的重要方法，在實際應用中可以進一步實現復雜環境的仿真功能，例如，實現基于3GPP標準[12]描述的復雜環境場景的信道仿真模型，以獲得更為真實的仿真效果。目前6G網絡的無線空口波形尚未確定，除了OFDM波形是備選方案之一以外，基于時延－多普勒域的新的正交時頻空（orthogonal time frequency space，OTFS）波形也可能成為實際方案，因此在信源編碼仿真部分也有待進一步對不同的波形提供仿真支持。此外，在實際應用中通感融合的信道估計也是提升通信感知系統整體性能的重要技術。但是由于信道的時變特性，仿真和估計通常需要海量的計算能力，因此霧計算[13]在未來通感融合的信道估計中具有十分重要的意義。