6G通感傳算融合需求分析與關鍵技術研究

楊 艷，李福昌，張忠皓

(中國聯通研究院，北京 100048)

0 引言

6G做為下一代通信系統，其架構和技術都在發生較大的變化，其中智能化和融合化是其較為突出的特點。目前，業界已經開始對6G的應用場景和關鍵技術進行系統深入的研究[1-3]。目前主流的多個業務融合方向主要為兩個業務融合：通信與感知融合、通信與無線傳能的融合或者一體化。其中較為主流的融合方式——通感融合技術可以實現通信和感知功能的一體化，是未來網絡中專網應用豐富化的體現，是典型多個2B業務以大規模全面覆蓋新業態出現的具體體現方式。通信和無線傳能融合在物聯網等方面有較大的用處，可以對低能耗的物聯網系統進行無線充電，實現不間斷的通信服務。但是目前的通信+某一個業務融合系統是目前研究的重點，而通信+多于兩個業務的融合目前尚無相關的研究。

一方面，從通信和感知融合的角度看，通信和感知發展在前期都是分離的，到了在5G后出現了相互融合。近兩年，通感融合的研究在高校、產業界都較為重視，在標準方面，多家公司和高校都對通感融合標準化投入了大量的人力，并輸出了多份文稿，并且3GPP R19 SA1完成第一個通感立項，ITU和IEEE 也成立了研究組開展相關的研究。在學術方面，高校和科研機構對通感融合的部署廠家[4-5]、系統架構設計[4-5]、波形設計及通感融合在射頻[6-11]都進行了大量的研究，并逐步明確了通感一體化技術的研究路線和關鍵技術。

另一方面，信息和能量一起運輸的想法是由Varshney[12]首先討論的，為了說明同時進行信息和功率傳輸的基本性能權衡，提出了一個容量-能量函數，通過使用具有加性高斯白噪聲(AWGN)的真實衰落信道。Sahai等人[13]擴展了這一想法，通過考慮單輸入單輸出(SISO)系統，在能量收集和信息解碼之間采用非平凡的權衡。目前通信與無線傳能的研究也較多，主要聚焦在共享網絡的天線能力、一體化射頻、波形選取等[14-16]。

1 6G通信感知傳算融合的應用場景分析

6G時期的通感傳算融合是一種多種業務全方位高度融合的應用，其主要目標是通過對一套系統實現多種業務，即實現通信、感知和傳能業務共同承載在一套端到端系統上，從而有效提升無線頻率的利用率、降低設備重復部署，達到低碳的目標。圖1為通信、感知和無線傳能一體化示意圖，圖中給出了比較常見的通感傳能一體化結構，可以將通信功能、感知能力和無線傳能都集成在基站中，通過差異化波形、時隙、頻段和天線陣列進行不同業務的執行，當然也不排除使用基站和終端聯合承擔通信、感知的傳能的可行性。

圖1 通信-感知-傳能一體化系統

由于將通信、感知和傳能進行一體化研究剛處于起步階段，因此需要對其適用范圍進行梳理，尤其是典型的應用場景。由于設備的尺寸、功耗和內部設置都與覆蓋范圍有較大的區別，因此在典型場景劃分中本文按照室內場景和室外場景進行劃分。

1.1 室內應用場景

通信-感知-傳能融合業務在室內場景有較為廣泛的部署空間。其中比較有部署前景的場景可以分為物聯網場景、智能家居場景、智能查表場景、智能安防場景、智能工廠場景等，如圖2所示。下面將對這些場景的需求進行詳細分析說明。

圖2 通感傳融合業務的室內應用場景

在智慧家居場景中，有很多小電器需要進行通信控制和充電，這些都對無線控制和無線傳能有較強的需求。此外，家居中也對非法入侵、老人孩子監護等無線感知業務都有較高的需求，如果部署獨立的相關設備對房屋的布局等都有較大的空間、電力要求，在這類復雜的需求場景中對通信-感知-傳能融合設備的需求是顯而易見的。

在智慧查表場景中，電表、水表和燃氣表如果采用傳統的設備，需要工作人員進行查表和設備的電磁更換，即使使用物聯網表，也需要進行定期的電源更換，對人力有一定的要求，在這種情況下無線通信與無線傳能一體化有較高的需求。同時，考慮到電表等儀表的安裝區域可能出現非法人員或者儀器不正常脫落等問題，這些可以通過無線感知功能進行發現和檢測。不難看出，在智能查表情況下，通信-感知-傳能可以提升整個查表場景的智能化。

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

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

1.2 室外應用場景

通信-感知-傳能融合業務中在室外環境比較有部署前景的場景可以分為車聯網和巡檢等場景，如圖3所示。下面將對這些場景的需求進行較為詳細分析說明。

圖3 通感傳融合業務的室外應用場景

智慧交通場景針對車聯網、車路協同和人員非法入侵等場景給出，由于車聯網需要進行大量的數據傳輸且要對公路內車輛、人員和物體等進行監測，因此對通信和感知都有較高的要求。另外，隨著電動汽車的出現，提供大功率的充電能力，這樣就對通感傳融合業務有較為明確的需求。

智慧巡檢是針對戶外場景下需要采用無人機、巡檢機器人等進行部署的場景，在這些場景中通信、感知和傳能的需求都存在，因此可以通過部署通感傳設備進行部署。

2 6G通信感知傳算融合關鍵技術

通信-感知-傳能融合系統與傳統的通信、感知和傳能獨立存在的系統或者通感融合系統、通信傳能系統有較大的不同，其射頻設計將非常復雜，且對頻段的要求更加明確化，需要開展對無線資源共享和通感傳算覆蓋增強技術的研究。

2.1 一體化RF技術

通感傳融合技術需要考慮設備的一體化，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隨著多個不同業務共存而逐步提升。一體化射頻與多種技術相關，如波形選取、幀結構選取和天線模式等，本節將著重對波形技術和天線模式進行介紹。

2.1.1 波形技術

在5G中，通信波形還是默認使用OFDM波形，其具備較高的可攜帶數據能力和低能耗，因此在現有無線通信中使用最為廣泛。而感知波形普遍是采用FMCW等雷達波形進行部署，這種信號可以對物體進行較為精確的感知。無線傳能技術的典型實現技術包括4種：感應耦合及諧振耦合式、微波輻射及激光輻射式。激光和微波都可以實現遠距離無線傳能。綜合現有波形的使用情況，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 通感傳波形能力對比

2.1.2 多天線技術及資源共享

Massive MIMO技術是6G中一個較為明確的研究方向，在IMT2030中也有專門的研究小組進行研究，其可以最大化空間可用性。從通感融合來分析，在同步支持通信和感知的需求后，超大規模天線可以使用精準的空間避免相同RB復用造成的干擾從而提升吞吐量，也可以使用超大規模天線的高主瓣能量反射后對需要感知的物體進行較為準確的感知。同時，隨著波束形成的增加，天線數量的增加可以促進無線傳能系統獲得更多的能量。因此多天線技術從本質和性能保障等方面都可以滿足通信-感知-傳能融合技術的要求。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現較大陣子數的天線陣列；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的集合，一般采用一個矩陣(H)來收集此空間信息，如圖4所示。

圖4 Massive MIMO系統需要信道狀態信息

CSI矩陣的公式如下所示：

(1)

基站一般是基于CSI而設計，以對天線陣列傳輸的數據進行預編碼，使得多路徑信號會在用戶終端位置相干疊加。這種濾波還可以用來線性組合天線陣列RF路徑收到的數據，從而檢測來自不同用戶的數據流。檢測和預編碼矩陣基于H計算。

由于通信-感知-傳能一體化后，需要在一個無線系統中對不同業務分配，從而實現多個業務的資源平衡化。無線傳能系統的資源分配設計在幾個方面與傳統的無線系統有所不同。首先，與通信的接收天線相比，傳能的接收天線需要捕獲實際的電路輸入-輸出特性所需的數學模型要復雜得多，這給資源分配設計帶來了巨大的挑戰；其次，基于能量的性能指標，如收獲的能量和無線傳能效率，與基于數據速率的指標一樣重要；再次，傳能會帶來額外的共信道干擾對傳統的數據通信系統是有害的，限制了系統的性能。因此，在資源分配設計過程中應抑制或減輕它。在此情況下，目前的研究主要以保證通信的質量為基礎，使用較少的頻分、時分子載波時隙進行感知和傳能，或對CSI等參考信號進行加強實現通感傳能功能，但如何進行多業務性能的資源分配還是非常重要的研究方向，需要開展相關的界限及其計算方法的研究。面向通感傳融合的Missive MIMO技術方法可以針對通信、感知和傳能的需求進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算方法，其中Xs為感知的輸出波形，Ss為輸入的感知數據，Hs為感知的信道編碼矩陣，相應的xI，sI，HI分別為通信的輸出波形、輸入的通信數據、通信的信道編碼矩陣；XW、HW和SW分別為傳能的輸出波形、輸入的無線傳能數據、傳能的信道編碼矩陣。

(2)

2.2 通感傳算覆蓋增強技術

近年來，智能反射面(IRS)通過調整元面的相位和/或振幅響應來控制無線傳播環境，可以顯著提高系統的頻譜和能源效率引起了極大的關注。IRS對通信-感知-無線傳能融合系統來說，在功能實現方面更多的是實現感知輔助通信和感知輔助傳能的功能，可以通過逐步迭代更新的定位或者感知獲取信道的變化情況，進而IRS基于感知反饋動態調整相位、振幅、頻率和極化等參數來塑造和控制環境的電磁響應 ，實現對干擾的調整及遮擋物的避讓，實現無線傳能的準確性，也可以實現通信吞吐量、時延的提升。同時在感知過程中，通過IRS進行智能化中繼，可以較好地實現尤其是有遮擋情況下感知信號的收取，提升三維感知精度。圖6給出了典型場景下如何在有障礙物的情況下，使用IRS進行通感傳業務的流程。

3 結論

通信、感知、傳能一體化或者融合是未來通信網絡發展的一個重要趨勢，需要開展網絡架構、融合射頻技術、新型網絡技術的研究，同時由于多種業務的融合化，網絡資源共享需要與算力網絡、人工智能等進行高度協調，從而構建高效能、低成本的新型網絡系統。