无线感知通信一体化关键技术分析

潘成康，王爱玲，刘建军，王启星，王亚娟,马 良

(中国移动通信研究院，北京 100053)

0 引言

移动通信从2G发展演进到5G，其空口传输性能不断增强升级，但信息传递功能基本没变。随着信息技术的不断革新，以机器人、无人车和无人机等智能体，以及扩展现实(xR)和数字孪生体等虚拟空间为连接主体和业务要素的新业务不断涌现，对6G网络提出了更高的信息交互能力需求和信息采集扩展功能需求。两种需求呈现出高度的耦合特性，从而驱动6G空口核心功能从无线传输向无线感知扩展。

日益增长的信息处理需求同样对无线频谱资源带来巨大压力。未来6G网络将全频谱接入，支持3 GHz以下低频段、包括3.3～3.6 GHz和4.8～6 GHz在内的中频段、包括24.5～27.5 GHz、37～43.5 GHz和66～71 GHz在内的毫米波频段，引入潜在的140～220 GHz、275～296 GHz、306～313 GHz、318 ～333 GHz和356～450 GHz太赫兹频段以及可见光波段，并将兼容非授权频段和卫星频段等。这些频段与传统的无线感知(雷达)频段将产生越来越多的交叠，传统频谱共享与兼容性设计亟待升级。同时，面向6G的超大规模天线、太赫兹通信以及可见光通信等无线通信技术具备三维定位和成像能力，感知与通信共设备降成本成为可能。另外，新业务需要多时空维度的实时感知与协同决策，对端到端时延敏感。传统串行信息采集与信息传递信息处理流程亟需重新设计。

上述技术趋势与需求促进了无线感知通信一体化技术的发展，成为6G空口研究热点[1-3]。无线感知通信一体化是指基于软硬件资源共享实现无线感知与无线通信功能协同的信息处理与服务技术。具体来说，它包括在感知软硬件资源中引入通信功能，或在通信软硬件资源中引入感知功能，还包括基于信息共享的感知通信功能协同等。IEEE 802.15.7制定了可见光成像通信技术标准[4]，3GPP NR正在制定无线定位技术标准，将定位引入到空口功能中[5]。无线感知通信一体化将为6G提供一种新型的信息处理能力。

1 技术场景分析

1.1 基本概念与内涵

在传统领域，无线通信是指与目标进行信息交互的行为，包括单播、组播和广播形式，涉及文本、语音、图片及视频等内容，通过通信设备完成。无线感知是指对目标属性与状态进行信息采集的行为，包括目标检测、定位、测距、测速、跟踪、成像及识别等细分功能，通常采用雷达、摄像头及探测器等设备完成。

1.1.1 无线感知模式

相对于无线通信，无线感知技术有多种方式，如图1所示。感知主体通过发射无线信号(包括可见光信号)对目标进行感知的方式称为主动感知或有源感知；反之，不发射无线信号，通过利用他方信号(如自然光)进行感知的方式称为被动感知或无源感知。若感知目标参与感知过程，称为合作感知；反之，称为非合作感知。

图1(a)和(b)是主动非合作感知方式，前者是反射式，接收机(检测器)和发射机(信号源)在一起；后者是透射式，收发采用分离架构。这是常规的无线感知方式，其性能通常依赖于感知信号波形、带宽、功率、天线增益和目标散射截面。

图1(c)和(d)是主动合作感知方式，前者是感知目标通过与感知主体进行无线通信的方式参与感知，例如3GPP定义的信道状态测量技术和无线定位技术。这种方式中，感知目标通过自身的接收机(检测器)感知全部或部分信息，通过通信反馈给感知主体，可以有效提升感知工作范围和精度。后者是感知目标通过自身特殊的几何结构或材料结构设计对感知信号进行响应。这种特殊结构可以对目标属性和状态信息进行编码，或者改变电磁波反射或吸收特性，从而让主体可以获取更多信息或让感知信号处理更为简单。更为重要的是，这种方式可以让无线感知具备通信能力，可替补或扩展传统无线通信功能，提升信息交互能力。

图1(e)和(f)是被动感知方式，典型设备有无源雷达、摄像头等。感知主体借助于自然光、灯光、生物红外光及地面广播电台信号等对目标进行感知。图1(e)是非合作模式，图1(f)与图1(d)一样是合作模式，通过表面编码或结构设计技术提供额外信息或改善感知条件。

根据业务场景需求，无线感知还存在上述模式的混合模式或动态切换模式，这里不再细述。

(a) 主动非合作感知-反射

图1 无线感知方式

Fig.1 Wireless sensing modes

1.1.2 无线感知通信一体化技术模式

无线感知通信一体化技术模式可以从资源与功能两个层面分类阐述，如图2所示，涵盖第一、第二和第四象限领域。这里，资源是指无线感知与通信的软硬件资源，包括无线频谱、发射功率、天线、射频、基带以及相关的软件与计算环境。通信功能是指无线接入与传输，感知功能包括目标检测、目标属性与状态参数测量等。

图2 无线感知通信一体化技术模式Fig.2 Integration modes of wireless sensing and communication

(1) 模式1：资源独立，功能一体化

资源独立是指无线感知和通信具有独立的硬件设备和频谱资源。这种情况下，功能一体化主要指基于信息共享的功能协同。具体说，就是通过利用感知功能获知的通信环境先验信息提升通信性能，通过通信功能获知的感知目标先验信息提升感知性能。前者考虑了无线通信技术与环境日趋复杂的趋势，简单地对信道质量与信道状态信息进行测量，难以满足高质量通信需求。因此需要借助无线感知手段，扩展获取无线通信环境的属性与状态。然后，基于无线感知获取的关键信息，结合其他途径获取的数据，借助大数据分析、机器学习和推理，为无线通信资源管理、优化与分配提供决策建议。对于后者，通常感知区域既包含非合作目标，又包括合作目标。基于合作目标提供的信息，结合其他途径获取的数据，可以帮助感知算法降低状态空间和复杂度，或者在同等复杂度条件下，提升感知维度、深度和精度。

该象限领域还包括功能扩展，一是基于合作感知模式，让无线感知具备通信功能，在不具备传统无线通信条件下，实现通信功能；二是在不具备感知的条件下，通过通信方式(数据)实现感知功能。

(2) 模式2：功能独立，资源一体化

资源一体化具有不同层次的资源共享形式，主要包括频谱资源和设备资源。频谱资源一体化具体分为频谱兼容性设计、频谱共享[6]、频谱正交性设计以及频谱融合等多个层级，设备资源具体分为共天线、共射频、共基带以及共整机等多个层级。在共设备、共频谱情况下，正交性设计主要是时分、频分以及空分(波束)等设计，关键问题是在保证一方性能的同时优化另一方性能。频谱融合设计有两个技术方向，一是在感知信号中调制通信信息[6]，二是在通信信号中引入感知信号。前者主要应用在传统雷达优势领域，通过雷达设备升级支持低速率通信功能。MIMO体制雷达可以提升调制在雷达信号中的通信速率。后者主要应用在传统通信优势领域，借助移动通信系统中OFDM调制的优势引入并改进感知性能[2]。为了更好地同步支持通信与感知，改进类OFDM调制成为一个研究方向。

(3) 模式3：功能资源一体化

无线感知通信一体化技术最终目标是做到同频谱、同设备、功能融合。例如，3GPP定义的4G和5G通信系统中的信道测量参考信号，已经嵌入到无线通信流程中，通过合作感知(即终端侧信道估计)为无线通信提供参数建议。与资源独立的功能协同不同的是，这里通信功能依赖于感知。进一步地，随着智能超表面[7]和全息无线电[8]等新技术的出现，构建智能无线电环境和电磁空间成为可能。相应地，无线通信将更加依赖对电磁环境多维甚至全息信息的感知，从而可以实现超高分辨率的空分复用能力。同时，这种像素级的分辨率让无线通信也具备了成像和定位功能，真正实现同频谱、同设备无线感知通信功能融合。

1.2 技术场景

无线感知通信一体化在实际应用中可以细分为如图3所示的几种情形(以非合作感知为例，可以扩展到合作感知)。图3(a)是针对同一个目标进行感知与通信。这种情况典型范例有车车协同、工业机器人协同和无人机协同，在与目标通信同时感知其无法通过通信传递的实时状态，或者实现感知通信功能协同；图3(b)是针对分离独立的目标进行感知与通信。这种情况中感知与通信功能独立，主要用来对非合作目标进行检测；图3(c)是一种更为普适的场景，包括多个通信目标(多址和广播)和多个感知目标。多目标感知通信相比单目标来说需要更为复杂的信号波形设计、资源分配算法和信号检测算法等。

图3(a)和(b)中，感知通信主体一般是移动终端，如高性能智能终端、无人车、机器人等，感知范围通常为中短距离；图3(c)中感知通信主体一般是基站，在合作感知或对空感知(如无人机监控)情况下感知范围可达中长距离，非合作感知通常也为短距离。

(a) 同一目标

2 一体化方案分析

2.1 一体化可行性分析

无线感知通信一体化通常需要感知和通信在适用场景、覆盖范围(作用距离)和性能三个维度具有一定程度的一致性。但是，不同频段的无线感知与通信能力及硬件需求具有显著差异。因此需要围绕无线感知与通信的设备形态、适用场景(作用距离)两大关键要素进行分析。

在资源一体化方面，综合考虑感知与通信在相近或相同工作频段上的设备差异性，包括设备尺寸、天线增益与形态(喇叭天线、反射面天线及阵列天线等)、输出功率、接收机灵敏度以及信号制式(信号带宽、调制方式等)等。还要考虑感知设备核心功能的作用距离与通信覆盖范围的差异性，包括在通信覆盖范围内的目标检测、测距、测速、定位、跟踪、成像、识别以及其他参数测量等细分功能的精度是否达到系统预定要求。在功能一体化方面，综合考虑场景信息的互惠性，即感知与通信功能之间在支撑上层应用时的相关性。

表1给出了典型的感知与通信频段对应的首要功能和适用场景对比。在分米波频段，可以将分米波雷达与宏蜂窝基站实现共设备，可同时实现通信信号宏覆盖和远空目标检测功能，但由于分米波雷达天线形态的限制，可行性较低；在厘米波频段，可考虑例如车载通信频段与雷达的资源一体化，甚至扩展到新的潜在3GPP NR频段；在毫米波频段，可考虑例如26 GHz频段的雷达通信资源一体化，以及更高频段的功能协同，如基于通信的融合感知，或基于感知编码的通信功能扩展。太赫兹频段理论上可以将成像与通信资源一体化，但由于信号源、检测器等关键器件尚不成熟，一体化可行性较低。激光雷达是用于目标识别和定位的成熟技术与设备，与通信设备尚不具备一体化可能性，但在功能协同上，可以通过合作目标(通信)反馈先验信息降低激光雷达的信号处理复杂度，但目前还不成熟。IEEE定义的可见光成像通信技术已经成熟，可在成像同时支持低速率通信，且基于机器视觉的目标特征识别与非光通信可做功能协同，这两类都具有较高可行性。目前融合可见光通信与定位的技术还在发展中，但具有很好的技术竞争力。

表1 无线感知通信一体化不同频段技术可行性

2.2 一体化收发机设计

面向6G的智能基站和智能终端，一定具备多个频段的无线感知与通信能力。因此基站设备或终端设备应同时具有资源一体化与功能一体化的收发机结构，如图4所示。对于资源一体化，关键在于一体化硬件与信号设计[9]；对于功能一体化，关键在于无线感知通信联合信息处理。

图4中，发送端的感知信号可以与通信信号共用射频与天线，在与通信信号正交的资源上发送，也可以通过感知设备以感知编码的方式发送。在接收端，通信信号与感知信号可以独立检测，也可以联合信号处理、联合数据处理、联合推理与决策等不同层次的协同。

感知编码是一种合作感知方式，可以是有源或无源编码；可以是基于平面或立体图案的几何编码方式，也可以是基于超表面图案的编码方式；可以是静态图案，也可以是动态图案。这种方式更加显性化感知目标的属性或状态等特征信息，也可以作为数据交互手段，成为无线通信的扩展功能，可以用作数据复用、数据分集或控制信道。接收端根据信号检测与数据处理结果，判断干扰情况，对无线感知与通信资源进行重新优化分配。

为了保证业务的连续性，避免目标任务的中断，基站设备需要尽量保证感知覆盖连续性，终端设备需要增强感知适应性，避免障碍物出现、天气变化等因素造成感知性能下降或失效。此时资源控制单元应根据上层应用提供的目标任务的全生命周期先验信息，结合感知环境和通信环境的变化情况，优化无线感知通信一体化方案，确保业务质量。

3 应用场景

无线感知通信一体化主要应用在感知与通信业务耦合场景，包括基于智能体交互的无人化业务、基于人机交互的沉浸式业务和基于虚实空间交互的数字孪生业务。这类业务中感知行为和内容与通信行为和内容具有不同层次与层度的相关性。本文以智能体交互为例，阐述无线感知通信一体化的具体应用思路。

智能体是指具有环境感知、交互与响应能力的实体，如机器人、无人车及无人机等。智能体感知能力通常来自于摄像头、各类雷达和各类传感器。交互能力通常基于感知与通信实现，响应能力来自于智能体的学习(包括推理、决策)和执行能力。由于智能体软硬件资源不同，其无线感知、通信、学习、计算能力各有差异。因此，智能体交互具有不同层次的目标。

(1) 协同感知

为了完成目标任务，智能体需要交互数据与信息。例如，在车联网场景中，车车或车路之间以通信方式交换感知数据，通过数据融合以提高感知维度、深度和精度。这里，交互数据可以是原始数据或训练集数据。

(2) 协同训练

协同训练是智能体合作训练模型的过程。具体有3种情况：一是智能体算力不均衡，较强算力的智能体帮助其他智能体完成模型训练；二是相关智能体分工完成本地模型训练，再汇总形成完备的区域模型；三是智能体交互各自训练模型，帮助测试和优化性能。

(3) 协同推理

协同推理是智能体合作求解问题的过程。通常目标任务会被定义为若干优化问题，每个问题可分解成子问题并分配给智能体局部求解。智能体基于自身的资源和模型对分配的问题进行推理，并将局部推理结果发送给其他智能体进行参考或修正，或者发送给网络合成整体推理结论。最终推理结论可能需要多次推理结果的更新迭代才能确定。多个智能体通过交互形成推理网络，需要精心设计推理架构来优化其推理能力。

(4) 协同决策

协同决策是智能体达成一致行动约定的过程。这些行动约定以命令的形式下发到智能体的执行单元，推动任务流程或响应任务外的突发事件。

数据融合问题贯穿上述4个智能体交互层级，可以进行数据级、推理级或决策级融合。如摄像头和毫米波雷达感知信息的融合，可以综合利用目标形状、距离及速度等感知信息，实现对物体的精准定位与识别。

无线感知通信一体化可以应用在上述4个智能体交互层级，支持数据融合、数据降维，提升感知精度。主要应用思路是围绕目标任务，充分利用基于通信的合作感知方式，降低感知数据量，对于非合作目标，充分利用任务先验信息和合作感知获取的先验信息，降低感知计算量。同时，根据目标任务的全生命周期等先验信息，通过无线感知通信一体化，减少下一步流程中不必要的感知与通信行为。

4 结束语

传统上，无线感知与通信独立设计，无线通信以标准的技术体制为多样化的无线感知方式和场景提供统一数据通道。分析发现，在不同频段上感知与通信的设备形态与作用距离存在不同层度的差异性，因此无线感知通信一体化技术设计面临多种技术模式与路径选择，这些都将对未来6G多功能空口设计、6G基站与终端设备结构与能力标准化，以及相关产业格局带来重要影响。建议按照模式1、模式2和模式3渐进推进一体化技术发展，重点考虑在通信体制中引入感知功能的技术路径，中短距离采用非合作式感知，中远距离采用合作式感知方式。针对不同的应用场景，建议考虑业务生命周期先验信息和不同流程对感知与通信的需求，在优化感知与通信行为的同时，也迭代优化业务的流程与进程。

总之，无线感知通信一体化在资源层面和功能层面对信息采集和信息传递功能做耦合协同，预期具备提升信息处理能力、降低处理时延和提高软硬件资源效率的技术效果。下一步，无线感知通信一体化还将与计算和控制一体化设计，推动6G端到端信息处理技术目标的实现。