5G低功耗通感融合半實(shí)物驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

周偉，李陽(yáng)，江甲沫，宋國(guó)超

（中國(guó)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(chǎng)景、多種技術(shù)的仿真評(píng)估，一直作為以往通信技術(shù)研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要研究工具。但軟件仿真的主要缺陷是無法準(zhǔn)確評(píng)估真實(shí)無線環(huán)境下的系統(tǒng)性能。使用專用硬件設(shè)備又存在成本高、搭建和開發(fā)難度大、調(diào)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(shí)物仿真逐漸成為研究熱點(diǎn)，在通用硬件平臺(tái)上通過軟件實(shí)現(xiàn)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(tái)在真實(shí)無線環(huán)境工作，在實(shí)際性能評(píng)估、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)演示、真實(shí)時(shí)延分析等方面具有軟件仿真不可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，研發(fā)半實(shí)物平臺(tái)進(jìn)而探討其在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用具有非常重要的意義。

業(yè)界主流廠商在技術(shù)驗(yàn)證和產(chǎn)品研制階段，均有自主開發(fā)的測(cè)試終端和原型樣機(jī)，用于方案驗(yàn)證和性能評(píng)估。但受限于知識(shí)產(chǎn)權(quán)等因素，不易對(duì)外開放使用。科研院所和高校等機(jī)構(gòu)在探索5G-Adavanced/6G 新技術(shù)過程中也迫切需要類似的測(cè)試終端和原型樣機(jī)用于技術(shù)研究和驗(yàn)證。基于半實(shí)物平臺(tái)實(shí)現(xiàn)原型樣機(jī)開發(fā)，不僅可以在理論探索階段發(fā)揮驗(yàn)證作用，還可以在外場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證中輔助性能評(píng)估，幫助研發(fā)人員快速定位問題，進(jìn)行算法優(yōu)化。因此，開發(fā)包含完整端到端協(xié)議棧的半實(shí)物仿真驗(yàn)證系統(tǒng)具有重要的理論研究和工程驗(yàn)證意義，也受到越來越廣泛的關(guān)注[4-5]。

目前已經(jīng)存在一些面向SDR 技術(shù)的研究組織和項(xiàng)目，例如開放空中接口（OAI）[6]，它是由Eurecom 組織發(fā)起的開源項(xiàng)目，也是目前較為完善的開源SDR 平臺(tái)。通過軟件實(shí)現(xiàn)基于3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的空口協(xié)議棧，極大地?cái)U(kuò)展了半實(shí)物平臺(tái)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用空間，為5G 乃至以后的通信系統(tǒng)原型搭建、算法仿真、部署實(shí)現(xiàn)和升級(jí)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(shí)物平臺(tái)，探索如何利用已有5G 空口信號(hào)擴(kuò)展實(shí)際應(yīng)用,通過結(jié)合5G信號(hào)和反向散射通信（Backscatter Communication）[11-12]設(shè)計(jì)了低功耗通感融合系統(tǒng)并完成了功能驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)人員檢測(cè)功能。

1 5G半實(shí)物平臺(tái)

5G 半實(shí)物平臺(tái)的硬件環(huán)境包括2 套USRP N310 軟件無線電套件（分別用于5G 半實(shí)物基站和終端的射頻端）和2 臺(tái)高性能工作站（處理器Intel Xeon 6254R，內(nèi)存256 G，操作系統(tǒng)Ubuntu 18.04，分別用于5G 半實(shí)物基站和終端的協(xié)議棧及基帶信號(hào)處理），平臺(tái)架構(gòu)見圖1（左側(cè)方框部分）。平臺(tái)搭建過程中，首先配置N310，包括驅(qū)動(dòng)安裝、鏡像文件寫入、萬兆網(wǎng)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(hào)收發(fā)。其次搭建5G 半實(shí)物基站和終端工作站，包括協(xié)議棧源碼編譯調(diào)試、修改低延時(shí)內(nèi)核、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘、修改配置文件等。協(xié)議棧是基于3GPP R15 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，采用SA 架構(gòu)，包含控制面和用戶面的全部協(xié)議實(shí)體（RRC/SDAP/PDCP/RLC/MAC/PHY），配合核心網(wǎng)網(wǎng)元，可實(shí)現(xiàn)完整的初始接入流程。搭建完成后，使用命令行啟動(dòng)5G 半實(shí)物基站和終端，通過N310 實(shí)現(xiàn)真實(shí)無線信道下的5G 空口數(shù)據(jù)傳輸。空口參數(shù)可以通過修改源代碼和/ 或命令行的方式自定義，包括收發(fā)天線數(shù)、子載波間隔、載頻、帶寬、調(diào)制方式等。

圖1 5G半實(shí)物驗(yàn)證系統(tǒng)架構(gòu)圖

選取了一組參數(shù)并截取了平臺(tái)運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)界面。圖2（a）和2（b）分別是基站側(cè)和終端側(cè)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(diǎn)清晰可辨（測(cè)試中三個(gè)信道均配置為QPSK 調(diào)制），說明5G 半實(shí)物平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了下行同步以及上下行數(shù)據(jù)的正確接收。圖2（c）為終端側(cè)的log 界面，從運(yùn)行l(wèi)og 中可以看出，終端側(cè)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(shí)物平臺(tái)空口連接驗(yàn)證示意圖

2 5G低功耗通感融合半實(shí)物驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著4G/5G、Wi-Fi、藍(lán)牙等無線通信技術(shù)的日益成熟和廣泛部署，在使用無線信號(hào)完成通信的基礎(chǔ)上，研究人員開始探索如何利用無線信號(hào)實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際環(huán)境中，無線信號(hào)的傳播往往會(huì)經(jīng)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(hào)包含了經(jīng)過的物理環(huán)境的特征信息，可以用來對(duì)周圍的物理環(huán)境進(jìn)行推斷感知。目前已有研究多是利用Wi-Fi 信號(hào)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知[13-17]，一方面是因?yàn)椴渴餡i-Fi 設(shè)備和搭建Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)比較方便，另一方面是業(yè)界已存在相應(yīng)工具可獲取Wi-Fi 信號(hào)的信道狀態(tài)信息（CSI）[18]。但受限于發(fā)射功率和使用頻譜，Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍較小。與之相較，移動(dòng)通信基站的發(fā)射功率大，覆蓋范圍廣，如何利用廣泛部署的5G 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)拓展感知功能逐漸成為研究熱點(diǎn)[19-22]。但5G 網(wǎng)絡(luò)部署難度高，且商用5G 設(shè)備的接口開放程度低，無法直接讀取空口信號(hào)數(shù)據(jù)，因此目前業(yè)界基于5G 信號(hào)的感知功能驗(yàn)證較少。基于5G 半實(shí)物平臺(tái)，可以搭建包含基站和終端的5G 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)5G 空口信號(hào)的收發(fā)。同時(shí)，空口協(xié)議棧的開放特性使得可以采集和輸出空口數(shù)據(jù)，從而利用空口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)特定的感知功能，對(duì)通感融合技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

2.1 反向散射通信

通過海量無線設(shè)備構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)讓萬物互聯(lián)變成現(xiàn)實(shí)，5G 標(biāo)準(zhǔn)也定義了大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC）的應(yīng)用場(chǎng)景[23]。基于5G 接入方式的無線設(shè)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(lián)網(wǎng)的部署成本和難度，因此探索低功耗的通信方式對(duì)擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)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(huán)境中入射電磁波的彈射和吸收，從而實(shí)現(xiàn)自身數(shù)據(jù)的調(diào)制[24]。例如，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)比特“0”時(shí)，將天線阻抗切換至50 歐姆，此時(shí)環(huán)境中的電磁波完全被吸收，接收到的反向信號(hào)幅度為0；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)比特“1”時(shí)，將天線阻抗切換至無窮大，此時(shí)環(huán)境中的電磁波被反彈，接收到的反向信號(hào)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(yōu)勢(shì)。此外，反向散射通信設(shè)備可以通過吸收周圍環(huán)境中的電磁波能量給通信電路供能，從而實(shí)現(xiàn)不需要電池的“零功耗”通信。

傳統(tǒng)反向散射通信需要專用的射頻信號(hào)源發(fā)送射頻信號(hào)，具備反向散射通信功能的標(biāo)簽檢測(cè)并反射該信號(hào)回到信號(hào)源。部署專用射頻信號(hào)源不僅增加了部署成本，而且信號(hào)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(yè)界提出了雙基地反向散射、環(huán)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(dú)立的載波發(fā)生器和接收端，通過優(yōu)化載波發(fā)生器的部署，提升覆蓋范圍。環(huán)境反向散射是指利用周圍環(huán)境中已有的無線信號(hào)與檢測(cè)端進(jìn)行通信，常見的無線信號(hào)包括廣播電視信號(hào)、Wi-Fi 信號(hào)、移動(dòng)通信信號(hào)等。

2.2 低功耗通感融合方案設(shè)計(jì)

本文采用環(huán)境反向散射通信方案，結(jié)合5G 信號(hào)，設(shè)計(jì)了一套用于人員檢測(cè)的低功耗通感融合系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，將5G 半實(shí)物基站部署在特定位置，然后將反向散射設(shè)備部署于需要檢測(cè)的人員活動(dòng)區(qū)域，并設(shè)置反向散射設(shè)備一直反彈基站發(fā)送的5G 信號(hào)。最后在特定位置部署反向散射信號(hào)接收機(jī)，通過檢測(cè)反向散射信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度、相位等判斷是否出現(xiàn)人員活動(dòng)。使用反向散射通信不僅可以擴(kuò)充現(xiàn)有5G 信號(hào)的檢測(cè)范圍，而且可以通過設(shè)計(jì)靈活的反向散射通信方案來擴(kuò)展檢測(cè)能力，例如通過時(shí)分或者頻分的方式協(xié)調(diào)多個(gè)反向散射設(shè)備間通信，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)檢測(cè)。

設(shè)計(jì)了相應(yīng)的反向散射通信方案來解決系統(tǒng)實(shí)際部署中的問題。首先，反向散射信號(hào)與5G 信號(hào)處于相同頻段，因此存在同頻干擾嚴(yán)重。針對(duì)這個(gè)問題，在實(shí)現(xiàn)過程中采用了基于頻率搬移的反向散射通信調(diào)制方案，通過設(shè)置天線開關(guān)頻率略大于數(shù)據(jù)傳輸速率，將反向散射信號(hào)搬移到5G 信號(hào)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(dāng)需要檢測(cè)多個(gè)目標(biāo)時(shí)，可以通過給每個(gè)設(shè)備分配不同的搬移頻率進(jìn)行區(qū)分。另一方面，對(duì)于未來通感一體化的基站，移頻可以避免反向散射信號(hào)與通信信號(hào)同頻存在，降低全雙工干擾。其次，反向散射設(shè)備需要判斷5G 信號(hào)的起始點(diǎn)，并將自身的數(shù)據(jù)符號(hào)和5G 信號(hào)的符號(hào)的邊界對(duì)齊。考慮到信號(hào)強(qiáng)度和同步精度，利用5G 的主同步信號(hào)（PSS）和輔同步信號(hào)（SSS）作為定時(shí)檢測(cè)信號(hào)。為此設(shè)計(jì)了基于包絡(luò)檢測(cè)的同步電路，通過檢測(cè)5G 同步信號(hào)的邊緣實(shí)現(xiàn)了定時(shí)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(shí)物驗(yàn)證系統(tǒng)開發(fā)

3.1 開發(fā)實(shí)現(xiàn)

搭建人員檢測(cè)系統(tǒng)，使用的硬件環(huán)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(hào)接收端搭建）、2 臺(tái)高性能工作站（分別用于gNB 基帶信號(hào)處理和反向散射信號(hào)處理）、1 套反向散射通信設(shè)備（用于檢測(cè)和反射5G信號(hào)）。配置N310 和搭建5G 半實(shí)物基站與第1 節(jié)中步驟一致。配置X310 是通過LabVIEW 開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)，主要功能包括接收反向散射信號(hào)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的基帶信號(hào)處理，包括下變頻、信號(hào)同步和信號(hào)處理，無需部署協(xié)議棧代碼。另外，基于兩層PCB 電路板自主設(shè)計(jì)了反向散射通信設(shè)備，使用FPGA 實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)處理，包括信號(hào)同步和頻率搬移調(diào)制。具體的人員檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1（右側(cè)方框部分）。

3.2 測(cè)試驗(yàn)證

首先配置5G 半實(shí)物基站生成5G 空口信號(hào)，配置參數(shù)如表1 所示。然后在標(biāo)簽檢測(cè)范圍內(nèi)部署反向散射標(biāo)簽，并配置移頻帶寬。之后配置反向散射信號(hào)接收端在一定頻率范圍內(nèi)檢測(cè)5G 空口信號(hào)。最后，基于LabVIEW 設(shè)計(jì)圖形顯示界面，直觀展示接收端檢測(cè)的信號(hào)情況和基于此判定的人員檢測(cè)結(jié)果（有人時(shí)圖形界面的綠燈亮起，無人時(shí)綠燈滅）。

表1 測(cè)試環(huán)境參數(shù)

圖4 和圖5 分別展示了無人和有人的測(cè)試場(chǎng)景及相應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果。從圖4 的圖形界面可以看出，當(dāng)無人出現(xiàn)在反向散射標(biāo)簽和接收端通信鏈路中時(shí)，接收端在移頻后的中心頻點(diǎn)3.62 GHz 上檢測(cè)到了5G 信號(hào)的相關(guān)峰。測(cè)試結(jié)果表明反向散射標(biāo)簽成功檢測(cè)到了5G 信號(hào)并基于頻率搬移方式反射了該信號(hào)，在無人環(huán)境下反向散射信號(hào)接收端能夠成功接收到頻率搬移后的反向散射信號(hào)。當(dāng)有人出現(xiàn)在通信鏈路中時(shí)，因?yàn)槿藛T阻擋了反向散射信號(hào)傳輸，接收端在3.62 GHz 頻點(diǎn)上檢測(cè)不到有效信號(hào)，如圖5 所示，從而判定有人員活動(dòng)，圖形界面上出現(xiàn)亮燈提示。

圖4 人員檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試（無人場(chǎng)景）

圖5 人員檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試（有人場(chǎng)景）

4 總結(jié)與展望

本文提出了一種5G 低功耗通感融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，將5G 信號(hào)與反向散射通信相結(jié)合，通過頻率搬移和信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)人員檢測(cè)功能，并基于5G 半實(shí)物平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了功能驗(yàn)證。后續(xù)研究規(guī)劃中，將針對(duì)5G 通感融合半實(shí)物驗(yàn)證系統(tǒng)尚存的不足進(jìn)行完善和增強(qiáng)。

5G 半實(shí)物平臺(tái)：（1）完善5G 核心網(wǎng)功能部署，開展SA 組網(wǎng)[25]下完整的端到端功能驗(yàn)證；（2）擴(kuò)展空口多天線功能，包括調(diào)試硬件設(shè)備和補(bǔ)充協(xié)議棧物理層代碼；（3）完善空口高層協(xié)議代碼，增加網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性置；（4）基于5G 半實(shí)物平臺(tái)，開展面向5G-Advanced/6G 通信系統(tǒng)的新技術(shù)研究。

通感融合系統(tǒng)：（1）基于頻率搬移調(diào)制的反向散射通信雖可以降低與原有射頻信號(hào)的自干擾，但會(huì)占用相鄰的頻譜資源，可能會(huì)干擾到其他設(shè)備的正常通信。后續(xù)研究中，會(huì)完善頻率搬移功能，降低對(duì)相鄰頻段的信號(hào)干擾，例如通過能量檢測(cè)，將反向散射信號(hào)搬移到能量較低的空閑頻段進(jìn)行傳輸；（2）設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)基于反向散射通信的數(shù)據(jù)傳輸；（3）部署多標(biāo)簽測(cè)試場(chǎng)景，協(xié)調(diào)不同標(biāo)簽的頻率搬移和調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽檢測(cè)功能。

基于半實(shí)物平臺(tái)的測(cè)試驗(yàn)證相較于軟件仿真，能體現(xiàn)真實(shí)無線信道環(huán)境對(duì)性能的影響，且便于開發(fā)和部署，在后續(xù)無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究和驗(yàn)證中會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。但半實(shí)物平臺(tái)也面臨很多的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步完善。希望通過本文，可以為后續(xù)面向5G-Advanced/6G 通信系統(tǒng)的半實(shí)物驗(yàn)證以及實(shí)際應(yīng)用的研究提供參考和建議。