面向6G通感一體化融合等級評估體系之探究

沈 杰 楊 立 韓志強 夏樹強 謝 峰

1 中國電信股份有限公司 南寧 530000

2 中興通訊股份有限公司 深圳 518057

3 移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室 深圳 518057

引言

隨著2022年“第三代合作伙伴項目”(3GPP)Rel-17標準版本功能的完成[1]，5G-NR移動系統的標準化繼續朝著Rel-18演進，進入到5G-Advanced(簡稱5G-A)階段。5G-A基于5GS現有的架構功能，繼續平滑地拓展和增強演進，旨在更高效地支持面向ToC/ToB眾多行業領域的新場景和新用例[2]，例如，在FR2高頻段的無線覆蓋增強，大上行吞吐率傳輸，超低時延大帶寬傳輸，超高精度定位等方面[3]。

在5G-A階段之前，5G-NR移動系統除了能提供高質量的通信業務和服務之外，其實在“網絡感知技術”方面(標準化了多種終端定位，“網絡最小化路測/用戶業務體驗”測量和評估等功能)，都已有較成熟的方案和產品化成果[4-5]。5G-NR系統的上述感知操作，都只是針對有電子通信感知能力的終端UE(即可和5G-NR網絡側進行通信配合)，而在標準化層面上，5G-NR網絡和終端UE并不能對一般的自然界目標物體或環境進行無線感知或收集相關信息，即無法支持更豐富的無線感知內容。

隨著2020年“美國電氣及電子工程師學會”IEEE成立了802.11bf新通感工作組[6]，它旨在開發實現如何基于WLAN制式信號進行無線環境類感知，3GPP業界也隨之更多地開始關注如何基于5G-NR制式信號和5GS系統，利用基站(gNB)和終端(UE)，對一般的自然界目標物體和環境進行泛無線感知，從而它既可輔助優化5G-A系統自身的通信業務性能，又可對外開放提供感知類新業務服務。

所謂“通感一體化”或“通感融合”的說法逐漸地興起流行，它在學術界工業界已被廣泛地使用[7-9]。“通信”和“感知”本屬于不同的技術應用領域，各自理論技術和相關應用非常豐富包羅萬象，因此“通感一體化/融合”此類說法，其實顯得非常籠統和含糊(到底是哪類通？哪類感？什么融合？)，它本身涉及到非常宏大的技術體系和多模態范式。至今，“通感一體化/融合”的具體定義內涵，在業界一直都沒有統一確切的規范化描述，于是導致各行各業相關研討中的話題內容發散、論述基線有分歧和表達描述不對齊等。為了解決上述發散、困惑和不對齊，盡量統一話語體系，本文將重點論述“通感一體化/融合”的具體內涵，并建議一套通感融合等級的評估體系和相關支撐關鍵技術。基于該體系，業界有望進一步統一認知，對通感融合等級程度進行統一的度量判定和評價。

1 通感融合的內涵解析

本文暫且先認為“一體化”和“融合”是同義詞，即下文只暫用“通感融合”統一說法。我們建議先分別清晰界定“通”“感”和“融合”三個詞各自的具體內涵及三個詞的組合內涵。

1.1 “通”的內涵

這里的“通”可局限在基于電磁波的無線通信系統，工作頻段可包含無線中低頻毫米波、太赫茲和可見光，但不包含基于機械波、引力波、物質波等的潛在無線通信方式。電磁波無線通信類型大致可分為：蜂窩制式下的單節點通信(單gNB服務UE)[4]，蜂窩制式下的多節點協作通信(雙gNB雙連接服務UE)[10]，非蜂窩式下的單節點通信(WLAN 單AP服務STA)[11]，非蜂窩式下的多節點協作通信(Mesh自組網中繼傳輸服務等)[12]。上述不同類型的電磁波無線通信系統有著不同的工作頻段、系統架構和傳輸機制，分別適用于不同的通信場景用例等。3GPP、IEEE或其它通信產業圈各自領域的“通”，它們之間有著較大的差異性，這為“通感融合”帶來完全不同的“通”的前提基礎，進而導致后續“通感融合”相關技術研發思路和未來典型應用方面都有所差異。

中國IMT-2020&2030推進組，實際主要聚焦于3GPP移動系統生態體系及其技術發展路線。因此，從未來“通感融合”實際可應用的廣度、深度和商業價值角度看，通感融合中的“通”主要重點是指：以3GPP為代表的無線移動系統，它包括：5G-A/6G網絡和終端兩大方面。

1.2 “感”的內涵

這里的“感”可局限在基于電磁波的無線感知系統，工作頻段也可包含無線中低頻、毫米波、太赫茲和可見光，但不包含基于機械波等方式的無線感知(例如超聲波雷達)。電磁波無線感知按照其感知任務類型大致可分為：業務信息感知、用戶信息感知、系統信息感知、雷達探測感知、雷達定位測速、對象識別檢測、環境感知繪圖、無線感知成像等[8-9]。上述不同類型的無線感知任務也會對應著不同的工作頻段和感知系統架構功能，適用于不同的感知場景用例。通信產業圈和傳統感知產業圈(例如，電磁雷達、無線傳感網等)領域各自的“感”，它們之間也有著較大的差異性，會為“通感融合”帶來完全不同的“感”的前提基礎，進而導致后續“通感融合”技術研發思路和未來典型應用方面也都有所差異。

以電磁雷達為代表的無線感知系統，憑借其眾多的類型功能和廣泛的軍民應用度，已成為全球最重要的無線感知基礎設施裝備[13-15]。電磁雷達系統可面向各類物質、物體進行多維度的感知測量和識別，并不需要目標對象具備任何的電子通信能力。因此，從未來“通感融合”實際可應用的廣度、深度和商業價值角度看，通感融合中的“感”主要重點是指：基于或仿造電磁雷達系統所實現的廣義空口無線感知，它包括主動式回波感知、被動式電磁感知和基于無線數據傳輸感知等幾大類方式[8]。

1.3 “融合”的內涵

“通感融合”中的“融合”主要重點指：電磁無線系統中的各種資源(頻譜、算力、連接等)，功能(管理、控制、調度等)和信息(狀態、策略、配置、數據等)三大維度要素，能在通感業務之間分別實現不同程度的復用共享，關聯耦合和互助互惠，以實現有機深層次地協同協作。因此，“融合”其實不是一個終極靜態狀況的描述，而是對應著不同等級程度和動態趨勢的描述。我們建議定義并引入“通感融合(方案)等級評估體系”，以此統一地去度量判定各種不同通感融合方案的融合具體程度。

如圖1所示，為了避免內容發散且前提不一致，當業界探討“通感融合”，它首先應先被具體化為：“哪種具體的無線通信類型方式”和“哪種具體的無線感知類型方式”在“哪種等級程度上的融合”這三個基本問題。只有當這三個問題答案先是明確的，“通感融合”的具體內涵才是確定的，進而各種不同的通感融合方案之間才能有可比性；否則不同的通信類型或感知任務所對應的不同通感融合方案，它們之間根本無法直接比較。如圖2所示，以單個5G gNB基站(確定了通信類型)去完成無線電環境成像(確定了感知任務)為例，它可有多種不同等級程度的通感融合方案。例如，程度1：gNB可利用當前用于通信的同一套毫米波射頻基帶模塊和該毫米波相同頻段同時實現無線感知成像(圖2(a))；程度2：gNB利用當前用于通信的同一套毫米波射頻基帶但不同的毫米波頻段獨立實現無線感知成像(圖2(b))；程度3：gNB利用兩套獨立的毫米波射頻基帶模塊和不同的毫米波頻段獨立實現無線感知成像(圖2(c))。

圖1 “通感融合”三個基本問題

圖2 “基于5G gNB通感融合”三種不同融合程度的方案示意

因此，不同類別的“通”，不同類別的“感”和不同的“融合(等級程度)”三者之間，會有很多“通感融合”的有效組合，而每個組合對應于特定的通感融合工作場景用例、問題分析對象和技術實現方案等，因此它們會帶來大量的業界發散研討和標準化研發工作；這其中某些通感融合組合可能是冗余且低價值的，而即使在同一種通感融合組合下，也會有多種不同的融合實現解決方案。反之，只有當通感融合有效組合的前提基礎相同(即上述三個基本問題確定)，不同融合方案之間才具備直接的可比性，它們各自的技術復雜優劣性和綜合性能比較，才能更公平且有意義。總之，“通感融合等級評估體系”可分級式地區分開不同的通感融合實現方案，以適配滿足特定的通感融合場景用例KPI目標性能要求。

2 通感融合等級評估體系

2.1 通感融合三維度要素

無線通感融合至少要涉及到“資源”“功能”“信息”三大維度要素。根據CCSA TC5 WG6相關研究報告的工作進展[9]，從其中引用的圖3僅顯示了在“資源”和“功能”一體化兩方面的初步考慮，但該圖的劃分邏輯仍然比較模糊且缺乏細分考慮。

圖3 CCSA TC5 WG6無線通感融合方式

根據IMT-2030相關研究報告最新進展[8]，在通感一體化的技術發展過程中，通信與感知可分階段、分層次地融合演進，主要包括：“業務共存、能力互助、網絡共惠”三個階段。這三個發展階段和通感融合“資源”“功能”“信息”三大要素之間的關系，也并未被深入分析闡述，業界還是存在大量的困惑和理解不一致。因此，針對通感融合等級(程度)和其發展階段類的關鍵問題，我們需進一步研討論述，以期待收斂統一業界理解。

三維度要素1“資源”包含：“系統硬件”(例如系統設備、算力存儲、網絡連接、基帶芯片、射頻天線等)、“系統軟件”(例如上層應用、協議棧、功能算法、信號處理流程等)、“頻譜功率”(例如各個電磁工作頻段、發射功率、空口幀結構波形等)三大類。“通感融合”一個重要方面就體現在：對上述三大類“資源”的復用共享，相對而言，從“系統硬件”到“系統軟件”再到“頻譜功率”融合程度會逐步加深。以一個極端為例，某通感融合系統A僅僅實現了“系統設備”級別一體化的物理集成(就像智能手機集成了相機功能)，和通感業務“上層應用”的邏輯集成，但通感業務各自工作在不同的頻段帶寬上(就像通信用著1.8GHz，而拍照用著可見光頻段)，那么該通感融合系統A在“資源”方面的融合度相對就較低；而作為另一個極端例子，某通感融合系統B進一步實現了“基帶射頻”級別一體化的物理集成，和通感業務“信號處理流程”的邏輯集成，且通感業務都工作在相同的頻段帶寬上(基于相同的空口幀結構波形)，那么該通感融合系統B在“資源”方面的融合度就很高，因為它實現了更大程度的資源復用共享操作和增益。

三維度要素2“功能”包括：“管理”“編排”“評估”“控制”“調度”“執行”等基本功能方面。“通感融合”另一個重要方面就體現在：對上述“功能”的通感聯合設計和關聯耦合操作，相對而言，從上述的“管理”基本功能依次到最后的“執行”功能融合程度會逐步加深。以一個極端情況為例，某通感融合系統A僅僅實現了在“管理”“編排”功能方面的耦合聯合操作(例如，統一的管編范式和操控界面)，那么該通感融合系統A在“功能”方面的融合度相對就較低；而作為另外一個極端例子，某通感融合系統B進一步實現了在“調度”“執行”基本功能方面的緊耦合關聯操作(例如，統一的控制信令流程和空口時頻功率資源分配指示等)，那么該通感融合系統B在“功能”方面的融合度就較高，因為它實現了更緊耦合的功能關聯設計操作。

三維度要素3“信息”包括：“業務/應用信息”“用戶/目標感知信息”“系統運行信息”等方面。“通感融合”另一個重要方面還體現在：對上述各種“信息”流轉融合、互助互惠的利用，相對而言，從上述的“業務/應用信息”到最后的“系統運行信息”融合程度會逐步加深。舉一個極端例子，某通感融合系統A僅僅實現了在“業務/應用信息”方面的融合協同參考(例如，通感業務應用層的數據匯聚融合共享)，那么該通感融合系統A在“信息”方面的融合度相對就較低；而作為另外一個極端例子，某通感融合系統B進一步實現了“系統運行信息(例如，功能狀態、業務策略、參數配置等)”方面的協同參考互助(例如，基于協議棧的數據流更快地流轉共享相關系統運行數據)，那么該通感融合系統B在“信息”方面的融合度就較高，因為它實現了更快、更動態、更全面的系統信息協同和互助互惠操作和增益。

基于“資源”“功能”“信息”三要素的通感融合低中高程度示意如圖4所示。圖4中每個要素維度中的“低”“中”“高”說明示意，它們之間邊界并沒有絕對性，并存在部分內容重疊。另外，圖4中暫時羅列的典型條目，也沒有完全遍歷覆蓋移動系統中“資源”“功能”“信息”的所有條目方面，但任何和“資源”“功能”“信息”相關的具體條目，都能被放在該圖坐標中合適的相對位置。“資源”“功能”“信息”三要素之間的關系，也不是彼此完全獨立的，它們之間也存在一定的邏輯關聯性，因此在三要素融合程度上，盡量要能做到各要素的“齊頭并進”，即“低低低”“中中中”“高高高”式樣的搭配。例如，為了實現“資源”方面“頻譜功率”的最大化復用共享，就需要在“功能”方面也同時實現通感業務功能之間緊耦合和深度協同調度執行，同時在“信息”方面也要同時實現“系統運行狀態信息”的深度協同互惠。反之，如果“資源”“功能”“信息”三要素之間，出現了“高中低”式樣的不對齊混搭，則會負面影響到通感融合具體技術方案的KPI效能，導致可能無法滿足特定場景用例的需求。

圖4 通感融合“三維度要素”低中高不同程度融合示意

2.2 通感融合等級體系定義

基于上述分析論述，我們給出下列“通感融合等級體系”表的定義建議。通感融合等級從高到低依次如下，并概括在表1中。在“資源”“功能”“信息”三要素方面，等級1全部都實現了高等級的融合利用，等級2部分地實現了高等級的融合利用，等級3全部都實現了中等級的融合利用，等級4部分地實現了中等級的融合利用，等級5全部都實現了低等級的融合利用，等級6部分地實現了低等級的融合利用。

表1 通感融合等級體系定義(建議)

當某通感融合方案只滿足某個等級“部分地實現”的時候，可采取“就高認定”原則。例如，融合方案A能支持等級4和等級2，卻不能支持等級3，融合方案A仍可被認定為達到了等級2。針對融合等級1、3、5中所要求的“全部實現”，由于當前“資源”“功能”“信息”三要素中枚舉的內容條目并不完全遍歷或完備(后續還需進一步細化補充澄清)，章節2.1僅先做出了定義范式方面的建議，通感融合等級1、3、5的確切認定，還需進一步研究深化和對比應驗。相比之下，通感融合等級2、4、6的“部分地實現”定義建議，則具備很大的靈活性，評估認定適用的區間相當寬泛，即只要能實現滿足“資源”“功能”“信息”三要素之一的某個等級即可達標。

2.3 實現通感融合更高等級的技術挑戰

6G移動新系統將進一步面向“更高的工作頻段”(毫米波、太赫茲)、“更廣更深的覆蓋”(空天地一體化)、“更廣更豐富的感知”(泛在感知)進行新系統架構、流模型、功能層面的重構設計[16-18]，從而為原生的6G通感融合奠定更強大的基礎條件。6G新系統為了能實現更高等級的通感融合，還需克服解決下列關鍵技術挑戰。

1)通感融合基礎理論：通過對通信感知一體化信息論層面的研究，進一步揭示通感融合信息論本質。與傳統的香農信息論不同的是：感知能力會為移動系統引入不同的性能指標和理論極限，需在此基礎上構建新的通感融合信息論模型，探索兩者最佳的聯合性能邊界和互相權衡方式[19-20]。

2)通感融合聯合信號處理：具體包括融合幀結構和波形設計、聯合發射波束賦形、聯合信號接收、無線干擾管理等。從功能優先級的角度看，可將融合聯合信號處理分為以感知為主的融合設計、以通信為主的融合設計和兩者聯合加權最優的融合設計3大類型[21-22]。由于傳統移動系統和雷達系統之間的顯著差異，這三類融合設計面臨的問題有很大不同。在前兩類中，設計研究的重點是如何基于以通信(雷達)系統的主流信號格式為主，在不顯著影響主系統的前提下實現輔助的雷達(通信)功能。最后一類需考慮信號波形、系統和網絡架構的聯合設計優化，在通信和雷達能力之間實現靈活權衡。

3)通感融合系統架構和協議棧聯合設計：以雷達感知為例，一般分為脈沖式和連續波雷達，而通信則采用時分或頻分等雙工方式。解決通感融合系統的全雙工操作是一項潛在挑戰，而全雙工操作對于目前移動通信來說仍然不夠成熟，在空間分離的發送和接收節點之間通常存在時鐘不同步，這些不利約束將極大限制將雷達感知集成到通信中。為了實現高等級的通感融合，需要設計新的6G系統架構和協議棧，以實現資源、功能、信息的緊耦合協同融合共享[23-24]。

4)通感融合物理實現方式：與現有通感功能分離系統的各自物理實現技術相比，通感融合系統的硬軟件實現方式還處于初級階段，可能的物理設計工藝手段和組合方式多樣，但都需進一步成熟優化[25-26]。

總體上，通感融合從當前5G-A發展到未來6G階段，正在經歷“場景和方案由淺入深”，通過更先進技術手段，努力邁向更高等級的通感融合，這需要遵循分階段市場需求和漸進式的技術產業發展原則[27]，逐步實現從低等級到高等級通感融合技術方案的應用落地。

3 總結

文章先剖析闡述了“通感融合”的具體內涵，即它應先被具體化為：“哪種具體的無線通信類型方式”和“哪種具體的無線感知類型方式”在“在哪種等級程度上的融合”這三個基本問題；只有當通感融合這三個基本問題答案相同，相關不同的通感融合方案之間才具備可比性，它們之間的優劣性和綜合性能比較才能更公平且有意義。進一步地，文章提煉指出“通感融合”三維度要素，即“資源”“功能”“信息”，進而可以大致評判出各個維度上“通感融合”的程度。更進一步地，基于三個維度通感融合程度，文章又建議定義了通感融合等級體系，共有6個等級，主要起了等級范式引導作用。為了未來6G能實現更高等級的通感融合，文章又簡要介紹了一些關鍵技術問題和挑戰。基于本文提出的“通感融合”具體內涵，跨界跨行更容易統一理解和對齊各自的認知研討基線。基于本文提出的通感融合等級體系，業界可對各廠家的具體通感融合方案，進行與各個等級對標的對比評價，可指導規劃未來6G通感融合系統的分階段設計和關鍵技術循序突破。