面向6G 通信的感知一體化系統(tǒng)關鍵技術設計與實現(xiàn)

楊興全

（哈爾濱職業(yè)技術學院，黑龍江哈爾濱，150000）

0 引言

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，對5G 通信的要求已經(jīng)越來越高。6G 通信技術將成為下一代移動通信技術的發(fā)展方向，具有更高的帶寬、更快的數(shù)據(jù)傳輸速度、更高的可靠性和更低的延遲等優(yōu)點。然而，由于6G 通信技術面臨著新的技術挑戰(zhàn)，如信號穿透能力、設備功耗等問題，因此需要創(chuàng)新性地引入新的技術手段來解決這些問題。在這種情況下，感知一體化系統(tǒng)成了一個有效的解決方案。本文旨在探討面向6G 通信的感知一體化系統(tǒng)的關鍵技術設計和實現(xiàn)，綜合應用感知技術和數(shù)據(jù)融合技術，實現(xiàn)對多源數(shù)據(jù)的實時感知和分析，并通過決策優(yōu)化技術實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源的優(yōu)化配置。相信本研究成果將為6G 通信技術的進一步發(fā)展和應用提供有力的技術支持和指導。

1 感知一體化系統(tǒng)概述

■1.1 感知一體化系統(tǒng)概念

感知一體化系統(tǒng)是指通過對多源數(shù)據(jù)進行實時感知和分析，綜合運用決策優(yōu)化技術實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源的優(yōu)化配置，從而實現(xiàn)對智能化系統(tǒng)的控制和管理。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對多維度數(shù)據(jù)的收集、處理、分析和推理，提高數(shù)據(jù)的處理效率和精度。感知一體化系統(tǒng)還可以應用于各種場景，如工業(yè)自動化、智慧城市、智能家居等，為人們的生產(chǎn)和生活帶來更加智能和便利的服務。

通信與感知技術歷來都是平行發(fā)展，在選擇頻率方面比較接近，但也有一些差別。但是，由于5G 毫米波及高頻頻帶的應用，通信與感知頻帶在性能上有了整合或一波雙頻的可能性。表1 顯示了通訊和知覺頻率的發(fā)展。

表1 通信和感知頻率的發(fā)展情況

■1.2 感知的對外服務和對內(nèi)服務

感知的服務對象可以是6G 系統(tǒng)本身，也可以是6G 之外的其他對象。從服務對象的類別上看，感知可以劃分為外部服務和內(nèi)部服務。在外部感知方面，典型的感知用例和應用方案可以根據(jù)感知的覆蓋面來分類，如表2 中所示。

表2 不同層次的感知信息

■1.3 感知一體化系統(tǒng)應用

感知一體化系統(tǒng)在6G 通信技術中具有廣泛的應用前景。在網(wǎng)絡資源調(diào)度和管理方面，感知一體化系統(tǒng)可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源的動態(tài)優(yōu)化配置，提高數(shù)據(jù)傳輸效率和網(wǎng)絡資源的利用率。通感融合體系結構要求增加新的網(wǎng)絡元素，實現(xiàn)融合后的網(wǎng)絡管理。圖1 所示為所提出的通感融合網(wǎng)路的體系結構。在這個體系結構中，更顯著的變化是增加了感知服務器，完成一種或兩種感知的無線資源指派，可以根據(jù)感知到的距離和所感受到的時間精確度而被置于核心網(wǎng)機房、MEC 網(wǎng)絡邊緣。

圖1 通感融合系統(tǒng)架構圖

2 面向6G 通信的感知一體化系統(tǒng)關鍵技術

■2.1 多源數(shù)據(jù)感知技術

感知一體化系統(tǒng)需要從多種來源收集和感知數(shù)據(jù)，包括聲音、圖像、光學、無線電等。在實現(xiàn)數(shù)據(jù)感知的過程中，應該注意以下技術特點：數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性；數(shù)據(jù)的存儲和管理，保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性；數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。在實現(xiàn)數(shù)據(jù)感知的過程中，可以綜合運用多種技術手段，包括傳感器技術、網(wǎng)絡通信技術、數(shù)據(jù)挖掘技術等。

■2.2 數(shù)據(jù)處理和分析技術

感知一體化系統(tǒng)需要對多源數(shù)據(jù)進行實時處理和分析，提取有用信息，從而實現(xiàn)對智能化系統(tǒng)的控制和管理。在實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和分析的過程中：數(shù)據(jù)預處理和清洗，包括數(shù)據(jù)去噪、濾波、歸一化等操作；數(shù)據(jù)特征提取和表示，提取數(shù)據(jù)中的有用信息，用于后續(xù)的分類和識別；數(shù)據(jù)挖掘和機器學習技術，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分類、聚類和預測等操作；人工智能技術，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的智能化處理和分析。在實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和分析的過程中，可以綜合運用多種技術手段，包括數(shù)學、統(tǒng)計學、機器學習、深度學習等。

■2.3 決策優(yōu)化技術

感知一體化系統(tǒng)需要通過對多維度數(shù)據(jù)進行綜合分析，實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源的優(yōu)化配置。在實現(xiàn)決策優(yōu)化的過程中：決策模型的設計和構建，包括多目標決策模型、約束優(yōu)化模型等；決策變量的選取和優(yōu)化，包括網(wǎng)絡資源的調(diào)度和管理；決策算法的設計和實現(xiàn)，包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、遺傳算法、粒子群算法等；決策結果的評估和反饋，保證決策的可行性和優(yōu)化效果。

在實現(xiàn)決策優(yōu)化的過程中，可以綜合運用多種技術手段，包括優(yōu)化理論、控制理論、智能算法等。

■2.4 系統(tǒng)安全技術

感知一體化系統(tǒng)需要保證數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)的可靠性，避免數(shù)據(jù)泄露和網(wǎng)絡攻擊等問題。在實現(xiàn)系統(tǒng)安全的過程中：安全威脅的識別和預測，包括對外部攻擊和內(nèi)部泄漏等問題的識別和預測；安全策略的制定和實施，包括網(wǎng)絡訪問控制、數(shù)據(jù)加密、身份認證等措施的制定和實施；安全監(jiān)控和應急響應，包括對系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控和異常響應，以及應急預案的制定和實施；安全評估和加固，包括對系統(tǒng)漏洞和安全隱患的評估和加固，以及對系統(tǒng)進行安全測試和評估。在實現(xiàn)系統(tǒng)安全的過程中，可以綜合運用多種技術手段，包括密碼學、網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)安全、安全測試等。

針對以上技術問題，本文將提出相應的解決方案和實現(xiàn)方法，以支持6G 通信技術的發(fā)展和應用。同時，本文還將在實現(xiàn)過程中，對各種技術手段進行比較和評估，以提高系統(tǒng)的效率和性能。本文所提出的技術方法和實現(xiàn)方案，可為感知一體化系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)提供重要的參考和借鑒。

3 面向6G 通信的感知一體化系統(tǒng)設計

■3.1 系統(tǒng)設計原理

在智能體的信息交互中，通信感知一體化技術可以實現(xiàn)設備一體化。通過這種方法，可以實現(xiàn)無線通信、無線感知、基于無線感知的無線通信和基于無線通信的無線感知4 種無線信號方式，其三種無線信號方式應用較多，如圖2。無線通信和無線感知是傳統(tǒng)方式，而基于無線感知的無線通信技術則是將其作為一種通信方式來獲取目標的信息。這一點與影像識別、可見光成像通信、無線射頻標簽等相似。

圖2 無線信號信息交互方式

信息交互的另一智能體發(fā)射一種特殊的調(diào)制電磁波，并且接收到對方的回聲，因為該回聲具有與對方的編碼信息相對應的電磁波特性，所以能夠利用回波探測來獲得對方的編碼信息。基于無線感知的無線通訊系統(tǒng)，由兩個部分組成，感知信號接收器和可調(diào)節(jié)的編碼超平面，如圖3 所示。

圖3 基于無線感知的無線通信系統(tǒng)示意圖

在感知主體收發(fā)機中，感知信號發(fā)生器產(chǎn)生感知信號，它可以是諸如chirp（線性調(diào)頻）之類的雷達信號，或者是在OFDM 等通信系統(tǒng)中的偽隨機序列調(diào)制的無線電信號。在發(fā)射機鏈路的設計中，利用空口聯(lián)合設計和時頻—空資源復用技術，可以將通訊感知功能與系統(tǒng)的整體設計相結合。但是，在多路傳輸中，接收端的重用是一個巨大的難題。感知系統(tǒng)不但需要接收端與發(fā)送端的同步，還需要持續(xù)地對回聲信號進行持續(xù)的探測；而時分雙工通訊則需要接收端和發(fā)送端同時工作。在此基礎上，基于基帶自干擾消除技術的全雙工無線射頻前端，利用無線傳感器對收發(fā)鏈路進行充分復用，如圖4 所示。

圖4 收發(fā)鏈路完全復用的通信感知一體化

全雙工射頻前端采用是否共用天線陣進行全雙工器設計，或采用天線間隔設計，但目前全雙工器尚在研發(fā)中，接收天線分開后的隔離要求會使器件體積變大，同時也帶來了接收和接收通道的互易問題；而在大帶寬的通信環(huán)境中，采用自干擾消除技術，則會增加基帶處理的硬件開銷。在現(xiàn)有的工業(yè)實施情況下，可以采取一個折中的方法，例如在現(xiàn)有的通訊系統(tǒng)硬件上，如圖5 所示，通過附加接收鏈路來進行獨立感知，以避免產(chǎn)生負面影響，縮短信息技術到工業(yè)應用的時限。

圖5 接收鏈路分立的通信感知一體化

■3.2 系統(tǒng)設計方案

（1）感知數(shù)據(jù)采集與處理模塊

感知數(shù)據(jù)采集和處理是感知一體化系統(tǒng)的核心部分，需要采用高效可靠的方法，從各種數(shù)據(jù)源中獲取數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理、分析和建模。本文所提出的感知一體化系統(tǒng)采用了多種數(shù)據(jù)源，包括傳感器、移動設備、無線網(wǎng)絡等，并通過多種數(shù)據(jù)傳輸手段進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，以實現(xiàn)全方位的感知能力。具體地，我們采用了如下技術手段：傳感器技術。通過安裝各種傳感器設備，實現(xiàn)對物理環(huán)境的感知和監(jiān)控，包括溫度、濕度、光照等指標的監(jiān)測。移動設備技術。通過利用移動設備的感知能力，實現(xiàn)對用戶和環(huán)境的感知，包括用戶的位置、行為、健康狀態(tài)等信息的獲取。無線網(wǎng)絡技術。通過建立無線網(wǎng)絡和移動通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和共享，以支持感知一體化系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)功能。

在數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中，我們還采用了數(shù)據(jù)壓縮和優(yōu)化技術，以減少數(shù)據(jù)傳輸量和提高傳輸效率。可以采用數(shù)據(jù)壓縮技術和數(shù)據(jù)分析和建模技術。通過采用數(shù)據(jù)壓縮算法，將采集到的數(shù)據(jù)進行壓縮和編碼，以減少數(shù)據(jù)傳輸量；通過采用數(shù)據(jù)分析和建模算法，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，以提取有用的信息和特征，并進行數(shù)據(jù)預測和決策。

（2）人工智能算法模塊

本文所提出的感知一體化系統(tǒng)采用了多種人工智能算法，包括機器學習、深度學習、強化學習等，以支持感知數(shù)據(jù)的分析和決策。包括機器學習技術、深度學習技術和強化學習技術。通過采用機器學習算法，對感知數(shù)據(jù)進行分類、聚類、回歸等處理，以提取有用的信息和特征，并進行數(shù)據(jù)預測和決策；通過采用深度學習算法，對感知數(shù)據(jù)進行高層次的特征提取和分析，以實現(xiàn)更加精準的數(shù)據(jù)分析和決策；通過采用強化學習算法，對感知系統(tǒng)的行為和決策進行優(yōu)化和調(diào)整，以適應不同的場景和環(huán)境。

4 結語

本文基于6G 通信的發(fā)展需求和感知一體化系統(tǒng)的特點，研究并設計了一種面向6G 通信的感知一體化系統(tǒng)，主要包括感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、算法優(yōu)化模塊。本文所涉及的技術和方法不僅對6G 通信的發(fā)展具有重要意義，也對人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等領域的技術研究和應用有著重要的借鑒意義。在未來的研究中，應進一步優(yōu)化和完善該系統(tǒng)，并與其他相關技術進行融合和應用，提升系統(tǒng)的整體性能和功能性，以適應不斷變化的通信和信息化需求。