5G低功耗通感融合半實物驗證系統的設計與開發

周偉，李陽，江甲沫，宋國超

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

軟件仿真因其具有高度的靈活性，可用于多種場景、多種技術的仿真評估，一直作為以往通信技術研究和系統設計的主要研究工具。但軟件仿真的主要缺陷是無法準確評估真實無線環境下的系統性能。使用專用硬件設備又存在成本高、搭建和開發難度大、調整靈活性較低等限制。近年來，基于軟件定義無線電（SDR）[1-3]的半實物仿真逐漸成為研究熱點，在通用硬件平臺上通過軟件實現盡可能多的通信功能，既保留了軟件仿真的靈活性，又可以通過硬件平臺在真實無線環境工作，在實際性能評估、實時業務演示、真實時延分析等方面具有軟件仿真不可比擬的優勢。因此，研發半實物平臺進而探討其在移動通信領域的應用具有非常重要的意義。

業界主流廠商在技術驗證和產品研制階段，均有自主開發的測試終端和原型樣機，用于方案驗證和性能評估。但受限于知識產權等因素，不易對外開放使用。科研院所和高校等機構在探索5G-Adavanced/6G 新技術過程中也迫切需要類似的測試終端和原型樣機用于技術研究和驗證。基于半實物平臺實現原型樣機開發，不僅可以在理論探索階段發揮驗證作用，還可以在外場測試驗證中輔助性能評估，幫助研發人員快速定位問題，進行算法優化。因此，開發包含完整端到端協議棧的半實物仿真驗證系統具有重要的理論研究和工程驗證意義，也受到越來越廣泛的關注[4-5]。

目前已經存在一些面向SDR 技術的研究組織和項目，例如開放空中接口（OAI）[6]，它是由Eurecom 組織發起的開源項目，也是目前較為完善的開源SDR 平臺。通過軟件實現基于3GPP 標準的空口協議棧，極大地擴展了半實物平臺在移動通信領域的應用空間，為5G 乃至以后的通信系統原型搭建、算法仿真、部署實現和升級迭代，都提供了一種更為靈活高效的方式[7-10]。

本論文的主要研究目的是基于5G 半實物平臺，探索如何利用已有5G 空口信號擴展實際應用,通過結合5G信號和反向散射通信（Backscatter Communication）[11-12]設計了低功耗通感融合系統并完成了功能驗證，實現人員檢測功能。

1 5G半實物平臺

5G 半實物平臺的硬件環境包括2 套USRP N310 軟件無線電套件（分別用于5G 半實物基站和終端的射頻端）和2 臺高性能工作站（處理器Intel Xeon 6254R，內存256 G，操作系統Ubuntu 18.04，分別用于5G 半實物基站和終端的協議棧及基帶信號處理），平臺架構見圖1（左側方框部分）。平臺搭建過程中，首先配置N310，包括驅動安裝、鏡像文件寫入、萬兆網卡及IP 地址配置等。N310 目前僅支持FR1 頻段，最高可支持4 通道*100 MHz/通道的射頻信號收發。其次搭建5G 半實物基站和終端工作站，包括協議棧源碼編譯調試、修改低延時內核、設置系統時鐘、修改配置文件等。協議棧是基于3GPP R15 標準進行開發，采用SA 架構，包含控制面和用戶面的全部協議實體（RRC/SDAP/PDCP/RLC/MAC/PHY），配合核心網網元，可實現完整的初始接入流程。搭建完成后，使用命令行啟動5G 半實物基站和終端，通過N310 實現真實無線信道下的5G 空口數據傳輸。空口參數可以通過修改源代碼和/ 或命令行的方式自定義，包括收發天線數、子載波間隔、載頻、帶寬、調制方式等。

圖1 5G半實物驗證系統架構圖

選取了一組參數并截取了平臺運行過程中的實時界面。圖2（a）和2（b）分別是基站側和終端側的圖形界面，可以看出上行共享信道（PUSCH）、廣播信道（PBCH）和下行共享信道（PDSCH）的星座點清晰可辨（測試中三個信道均配置為QPSK 調制），說明5G 半實物平臺實現了下行同步以及上下行數據的正確接收。圖2（c）為終端側的log 界面，從運行log 中可以看出，終端側能夠正確接收下行控制信道（PDCCH）并解析出下行控制信息（DCI）。

圖2 5G半實物平臺空口連接驗證示意圖

2 5G低功耗通感融合半實物驗證系統設計

隨著4G/5G、Wi-Fi、藍牙等無線通信技術的日益成熟和廣泛部署，在使用無線信號完成通信的基礎上，研究人員開始探索如何利用無線信號實現更廣泛的應用。在實際環境中，無線信號的傳播往往會經由物理空間中的墻壁、人體等障礙物的反射、衍射、折射等形成多路疊加，因此收到的無線信號包含了經過的物理環境的特征信息，可以用來對周圍的物理環境進行推斷感知。目前已有研究多是利用Wi-Fi 信號來實現環境感知[13-17]，一方面是因為部署Wi-Fi 設備和搭建Wi-Fi 網絡比較方便，另一方面是業界已存在相應工具可獲取Wi-Fi 信號的信道狀態信息（CSI）[18]。但受限于發射功率和使用頻譜，Wi-Fi 網絡的覆蓋范圍較小。與之相較，移動通信基站的發射功率大，覆蓋范圍廣，如何利用廣泛部署的5G 網絡信號拓展感知功能逐漸成為研究熱點[19-22]。但5G 網絡部署難度高，且商用5G 設備的接口開放程度低，無法直接讀取空口信號數據，因此目前業界基于5G 信號的感知功能驗證較少。基于5G 半實物平臺，可以搭建包含基站和終端的5G 網絡，實現5G 空口信號的收發。同時，空口協議棧的開放特性使得可以采集和輸出空口數據，從而利用空口數據實現特定的感知功能，對通感融合技術和應用進行實際驗證。

2.1 反向散射通信

通過海量無線設備構建的物聯網讓萬物互聯變成現實，5G 標準也定義了大規模機器類型通信（mMTC）的應用場景[23]。基于5G 接入方式的無線設備具有較高的功耗，意味著需要更換電池或有源供電，增加了物聯網的部署成本和難度，因此探索低功耗的通信方式對擴展物聯網實際應用具有重要的研究意義。反向散射通信通過切換天線阻抗控制環境中入射電磁波的彈射和吸收，從而實現自身數據的調制[24]。例如，當發送數據比特“0”時，將天線阻抗切換至50 歐姆，此時環境中的電磁波完全被吸收，接收到的反向信號幅度為0；當發送數據比特“1”時，將天線阻抗切換至無窮大，此時環境中的電磁波被反彈，接收到的反向信號幅度不為0。由于不需要功耗較高的有源器件，該通信方式具有功耗極低、成本低廉的優勢。此外，反向散射通信設備可以通過吸收周圍環境中的電磁波能量給通信電路供能，從而實現不需要電池的“零功耗”通信。

傳統反向散射通信需要專用的射頻信號源發送射頻信號，具備反向散射通信功能的標簽檢測并反射該信號回到信號源。部署專用射頻信號源不僅增加了部署成本，而且信號往返路徑損耗較大，有效通信距離受限。為了解決上述問題，近些年業界提出了雙基地反向散射、環境反向散射等新型反向散射通信方案。雙基地反向散射是指引入獨立的載波發生器和接收端，通過優化載波發生器的部署，提升覆蓋范圍。環境反向散射是指利用周圍環境中已有的無線信號與檢測端進行通信，常見的無線信號包括廣播電視信號、Wi-Fi 信號、移動通信信號等。

2.2 低功耗通感融合方案設計

本文采用環境反向散射通信方案，結合5G 信號，設計了一套用于人員檢測的低功耗通感融合系統。在系統中，將5G 半實物基站部署在特定位置，然后將反向散射設備部署于需要檢測的人員活動區域，并設置反向散射設備一直反彈基站發送的5G 信號。最后在特定位置部署反向散射信號接收機，通過檢測反向散射信號，并根據信號強度、相位等判斷是否出現人員活動。使用反向散射通信不僅可以擴充現有5G 信號的檢測范圍，而且可以通過設計靈活的反向散射通信方案來擴展檢測能力，例如通過時分或者頻分的方式協調多個反向散射設備間通信，從而實現多目標檢測。

設計了相應的反向散射通信方案來解決系統實際部署中的問題。首先，反向散射信號與5G 信號處于相同頻段，因此存在同頻干擾嚴重。針對這個問題，在實現過程中采用了基于頻率搬移的反向散射通信調制方案，通過設置天線開關頻率略大于數據傳輸速率，將反向散射信號搬移到5G 信號相鄰的信道，從而有效抑制了同頻干擾，原理示意如圖3 所示。采用頻率搬移方案，一方面當需要檢測多個目標時，可以通過給每個設備分配不同的搬移頻率進行區分。另一方面，對于未來通感一體化的基站，移頻可以避免反向散射信號與通信信號同頻存在，降低全雙工干擾。其次，反向散射設備需要判斷5G 信號的起始點，并將自身的數據符號和5G 信號的符號的邊界對齊。考慮到信號強度和同步精度，利用5G 的主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）作為定時檢測信號。為此設計了基于包絡檢測的同步電路，通過檢測5G 同步信號的邊緣實現了定時同步。

圖3 基于頻率搬移的反向散射通信示意圖

3 5G低功耗通感融合半實物驗證系統開發

3.1 開發實現

搭建人員檢測系統，使用的硬件環境包括1 套N310軟件無線電套件（用于gNB 射頻端搭建）、1 套X310 軟件無線電套件（用于反向散射信號接收端搭建）、2 臺高性能工作站（分別用于gNB 基帶信號處理和反向散射信號處理）、1 套反向散射通信設備（用于檢測和反射5G信號）。配置N310 和搭建5G 半實物基站與第1 節中步驟一致。配置X310 是通過LabVIEW 開發工具實現，主要功能包括接收反向散射信號和實現簡單的基帶信號處理，包括下變頻、信號同步和信號處理，無需部署協議棧代碼。另外，基于兩層PCB 電路板自主設計了反向散射通信設備，使用FPGA 實現基帶信號處理，包括信號同步和頻率搬移調制。具體的人員檢測系統架構如圖1（右側方框部分）。

3.2 測試驗證

首先配置5G 半實物基站生成5G 空口信號，配置參數如表1 所示。然后在標簽檢測范圍內部署反向散射標簽，并配置移頻帶寬。之后配置反向散射信號接收端在一定頻率范圍內檢測5G 空口信號。最后，基于LabVIEW 設計圖形顯示界面，直觀展示接收端檢測的信號情況和基于此判定的人員檢測結果（有人時圖形界面的綠燈亮起，無人時綠燈滅）。

表1 測試環境參數

圖4 和圖5 分別展示了無人和有人的測試場景及相應的檢測結果。從圖4 的圖形界面可以看出，當無人出現在反向散射標簽和接收端通信鏈路中時，接收端在移頻后的中心頻點3.62 GHz 上檢測到了5G 信號的相關峰。測試結果表明反向散射標簽成功檢測到了5G 信號并基于頻率搬移方式反射了該信號，在無人環境下反向散射信號接收端能夠成功接收到頻率搬移后的反向散射信號。當有人出現在通信鏈路中時，因為人員阻擋了反向散射信號傳輸，接收端在3.62 GHz 頻點上檢測不到有效信號，如圖5 所示，從而判定有人員活動，圖形界面上出現亮燈提示。

圖4 人員檢測系統測試（無人場景）

圖5 人員檢測系統測試（有人場景）

4 總結與展望

本文提出了一種5G 低功耗通感融合系統的設計方案，將5G 信號與反向散射通信相結合，通過頻率搬移和信號處理實現人員檢測功能，并基于5G 半實物平臺實現了功能驗證。后續研究規劃中，將針對5G 通感融合半實物驗證系統尚存的不足進行完善和增強。

5G 半實物平臺：（1）完善5G 核心網功能部署，開展SA 組網[25]下完整的端到端功能驗證；（2）擴展空口多天線功能，包括調試硬件設備和補充協議棧物理層代碼；（3）完善空口高層協議代碼，增加網絡配置的靈活性置；（4）基于5G 半實物平臺，開展面向5G-Advanced/6G 通信系統的新技術研究。

通感融合系統：（1）基于頻率搬移調制的反向散射通信雖可以降低與原有射頻信號的自干擾，但會占用相鄰的頻譜資源，可能會干擾到其他設備的正常通信。后續研究中，會完善頻率搬移功能，降低對相鄰頻段的信號干擾，例如通過能量檢測，將反向散射信號搬移到能量較低的空閑頻段進行傳輸；（2）設計合理的數據調制方式，實現基于反向散射通信的數據傳輸；（3）部署多標簽測試場景，協調不同標簽的頻率搬移和調制方式，實現多標簽檢測功能。

基于半實物平臺的測試驗證相較于軟件仿真，能體現真實無線信道環境對性能的影響，且便于開發和部署，在后續無線通信系統關鍵技術的研究和驗證中會得到更廣泛的應用。但半實物平臺也面臨很多的技術難點和挑戰，需要進一步完善。希望通過本文，可以為后續面向5G-Advanced/6G 通信系統的半實物驗證以及實際應用的研究提供參考和建議。