6G 通信感知一体化架构与技术研究*

杨 艳，张忠皓，马静艳

(中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048)

0 引言

6G 是新一代的移动通信系统，其与5G 相比，支持更高的数据速率、更低的时延和更高的可靠性，并且更加亲和用户和业务，即可以为用户提供针对性更强的高质量服务。此外，6G 也将无线融合通信纳入研究范畴，其中通信和感知融合就是一种典型的融合通信。

一方面，无线移动网络覆盖范围广泛，是最大的陆地覆盖网络，与雷达等感知网络相比，范围更加广泛，无线通信网络与雷达系统相结合，可以实现感知范围的极大扩展；另一方面，5G 和6G 已经极大地在技术上提升了网络的质量，但是仍无法满足不断提升的业务需求，但感知的加入可以提升无线通信性能，实现网络质量的提升。

目前，国内外专家已经对通感一体化技术开展了研究，分别从通信赋能感知、感知促进通信两个角度进行了分析。文献[1]-[3]介绍了6G中通感一体化的契机、场景，并分析了一些技术调整；文献[4]对通感融合和定位技术的应用场景、技术和调整进行了描述；文献[5]-[6]介绍了通感融合技术中波形选择和新波形开发和研究；文献[7]从安全的角度分析了通感融合的问题、调整并介绍了架构等；文献[8]通过感知位置或者障碍物，智能化调整波束赋形，从而提高通信的效率和质量。

本文首先介绍了通信和感知一体化的必然性，分别从频率、技术和业务需求3 个方面进行了介绍；然后从通感一体化不同的融合程度给出了3种架构；再次，介绍了通感融合的典型使能技术，最后对全文进行了总结。

1 通感一体化的发展的必然性

无线通信和感知一体化成为6G 重要的候选技术存在其必然性，可以从频率趋同性、业务需求提升所需的资源激增化和技术实现一致化进行描述。

首先，通信与感知技术一直以来呈现并行发展的模式，在频率选取上较为趋同，但是存在一定的差异。然而，随着5G 毫米波和高频频段的使用，通信和感知的频率从性能上已经具备一体化或者一波双功能的可能性。表1 给出了通信和感知频率的发展情况。

表1 通信和感知频率的发展情况

其次，随着业务的丰富化和性能极致化，业务的保证速率、时延和可靠性要求都有了很大的提高，例如高清和4K 视频等都对网络带宽有较高的要求。Omdia 认为到2024 年，全球网络流量将是2019 年的3.4 倍，期间复合年增长率(CAGR)达到28%。表2 给出了基于2019年数据进行的2024 年容量的需求预测情况[9]。相应的感知要求也在提升，从雷达成像就可以发现，其成像精度也从m 级向着cm 级演进，这也对传输带宽有较高的要求。因此，通信和感知频率共用频率可以增加可用频谱，提升频谱利用率。

表2 全球网络流量预测

最后，从通信技术发展的方向和趋势来看，通信和感知也朝着相似的方向进行双向互动。其中，通信在这方面的工作更加明显，如超大规模天线的发展极大地提升了空间感知能力，使得基于无附加的无线通信网络进行无线感知成为可能。

2 6G 通感融合架构发展

通信和感知融合或一体化是一种全新的网络形态，因此在架构上将产生较大的改变，架构上的变化可以分为系统架构和无线(空口)架构的改变。系统架构研究需要考虑感知单元、用户数据安全、计费策略等与整个通信网络的融合；无线(空口)架构则是需要考虑无线设备集成程度存在的差异性进行研究。

通感融合系统架构需要添加新的网络单元，并完成融合后的网络管理功能。图1 给出了建议的通感融合网络的系统架构。在本架构中，较为明显的改变是添加了感知服务器，该网元完成感知数据的处理和基于感知的无线资源分配中的一个或两个功能，布放位置可以按照感知的范围和感知的时间精度放置在核心网机房、MEC网络边缘或者与基站进行合设。

图1 通感融合系统架构图

从设备合设与分设的能力及部署需求来看，可以将通感融合无线架构初步划分为以下3 个：

(1)简单集成系统：这类结构将通信和感知系统进行合设或者将C&S 集成在一个平台上，但是通过不同的资源(信号使用单独的或甚至正交的资源)进行信息发送，减少了干扰，但是频谱效率难以提升。图2 给出了简单集成系统的示意图，图中将2 个系统布置在一个设备上，但是使用频率和波形都不同。

图2 简单集成系统架构示意图

该架构的优点：

①通信和感知采用独立波形设计、优化和资源分配；

②系统联合设计、优化，可以进行部分网元的共用，节省了站址等资源。

该架构的缺点：

①由于资源的划分和防护间隔或同等时间的要求，频谱效率降低；

②系统集成的程度偏低，复合的发射机硬件复杂度高。

(2)基于频率共享共存的架构：这类架构实际上是将通信和感知系统分别设计，但是在频率、信道等资源上进行简单的或者固定的共享，这样可以减少联合设计的系统交叉，但是通信和感知承载在一个系统上，并未进行波形的改变，将带来较大的干扰，消除难度大。图3给出了该架构的示意图，该系统中通信和感知模块还是独立的，但是采用了同一波形进行传输，使用不同的RB进行通信和感知信息的传递。

图3 基于频率共享共存的系统架构示意图

该架构有如下优点：

①相对独立的系统设计和优化机制，可以通过人工智能进行资源调度；

②相对独立的运行模式；

③较高的频谱利用率。

该架构的缺点：

①感知需要全双工工作模式，现有的波形进行部署存在潜在的巨大的相互干扰和复杂的干扰控制技术；

②设计的总成本很高。

(3)智能化通信与感知一体化系统：该类架构需要通过考虑新型的波形或者帧结构同时兼顾通信和感知，并且在设计之初就要平衡好通信和感知需求，因此设计难度较大且与以前系统的兼容性较差，但是具有有效提升频谱效率、消除干扰等优点。图4 给出了智能化通信与感知一体化架构的示意图，本系统中通信和感知的功能已经完成融合，不再进行独立传输，使用全新的同一波形进行传输。

图4 智能化通信与感知一体化系统架构示意图

该架构的优点：

①最高的频谱效率(几乎翻倍)；

②同时操作，无相互干扰；

③在硬件和信号处理方面，有完全共享的发射机和主要共享的接收机；最小的大小、重量和成本；

④联合设计与优化，通过信息共享实现互利处理。

该架构的缺点：

①需要一个全双工操作或等效的设置；

②由于传输功率有限(在移动网络中)，单个节点的传感范围有限，但可以通过全网络传感来缓解；

③存在对C&S 要求相冲突的潜在性能损失；

④需要重新开发波形、帧结构等。

3 6G 通感融合使能技术

从现有的研究分析来看，6G 目前明确技术包括THz技术、大规模天线、IRS、AI、通信和感知融合等。这些技术从频率、空间复用和智能化等角度提升了网络的覆盖和容量能力，极大地开拓了网络的部署空间，并逐步向着极致化行业部署、网络极简化融合和低碳低能耗的方向发展。通信和感知融合中，由于同时需要兼顾通信容量和感知精度，因此需要更大的贷款、更丰富的空间信息和高性能的数据处理能力，下面将主要从这几个方面进行介绍。

(1)新频率技术

6G 使用的频率将向着更高更宽的方向发展，据研究分析推测，6G 信道带宽将有望比5G 大5 倍以上。在LTE中，只有10 GHz 以下的频带被占用，而5G 开始进行毫米波波段的使用。因此，对于6G，预计将达到100 GHz以上，可用的频率也将向着更加高频发展，如THz 等。而高频或者超高频的波长短，受到自然因素(如雨、雪等)和障碍物的影响较大，无法进行大范围覆盖，但是大带宽可以很好地满足大数据传输和高精度感知的需要，因此后续高频率技术研究和设备的研究将进一步影响通感融合的发展进程。

(2)空间天线技术

空间技术主要指使用大规模和超大规模天线进行空间资源的复用，从通信的角度，可以突破香农极限，提升频谱利用率；从感知的角度，多天线技术可以获取较多的多径信息，对成像和定位的精度都有较为明显的影响。多天线技术研究现在受限于天线阵子干扰和智能化管理等方面的影响，需要开发新物理材料和管控机制的新型天线。

(3)人工智能技术

人工智能(如机器学习等)是提升网络质量的重要技术，在6G 通感融合中，在面向通信和感知的无线接口资源分配和感知数据采集处理都将异常复杂，人工智能将极大地缓解这方面影响，实现通信-感知-智能的有效结合。深度学习已被用于各种感知用例，如静态对象分类、基于雷达的坠落运动检测、单个复杂帧中多个对象的检测和定位[10]。通过人工智能技术实现感知位置或者障碍物，智能化调整波束赋形，从而可提高通信的效率和质量[8]。

(4)新波形研究

由于通信和感知在需求上存在差异，现有的波形无法满足实际的应用，因此出现了新波形的研究需求。目前主要的研究方向是原有波形的复合叠加波形和新型波形。

在文献[2]中提到了几种典型的波形，如OFDM 等，通过复用可以满足部分需求，但是由于不是专有波形，无法很好地兼顾通信和感知需求。表3 给出了复合波形的能力分析情况。

表3 复合波形能力分析

新波形研究是将通信和感知的需求直接融合波形变化中，如通过互信息等进行新波形开发。文献[11]中就介绍了一种新波形，同时提升了通信和感知需求。

4 结论

通信和感知一体化是通信功能和感知功能高度融合的必然结果，可以合理统筹通信和感知的频谱，从而满足更高的业务需求，同时可以满足感知全局化全域化部署。本文从通感融合的必然性进行分析，给出了通感融合的系统架构和空口架构，最后给出了频率、空间和算力方面的技术研究建议。通感融合是一个新的领域，后续还需要对应用场景、架构、网元、信令和评价标准等方面进行深入的研究。