通感一体化融合架构及关键技术*

杨艳，张忠皓，李福昌

（中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

目前，学术和标准化等组织都开展了6G网络和技术的相关研究[1-3]。6G网络将具备“全域融合、极致连接、弹性开放、智能原生、数字孪生、绿色共享、算网一体、安全可信”等特征。而通信和感知一体化或者通感融合技术是可以助力完成数字孪生和绿色共享等6G网络元素的网络技术，因此也受到学术界和产业界的深度关注，投入了大量的研究力量。国内外的标准化组织也开展了相关任务组合专项研究，如3GPP已经在SA1初步完成首个通感融合立项；国内IMT2020和IM2030成立了通感融合工作组，CCSA也开展了通感融合研究工作。

目前，国内外专家已经对通感融合的研究需求、研究架构和关键技术等进行了研究。文献[4]介绍了通信和感知融合的可行性；文献[5-11]介绍了通感融合的网络架构关键技术，适用于5G-A和6G场景下多个基站联合部署的需求；文献[12]从安全的角度介绍了通感融合需要注意的技术要求；文献[13-16]介绍了通感融合波型选取的考虑及OFDM等波型的感知性能。

本文首先介绍了5G-A通感融合的架构，针对5G网络的延续性，提出了在现有网络架构基础上，面向广域和局域场景的5G-A通感融合网络架构，然后介绍了6G通感融合架构的两种架构建议，再次，对通感融合的关键技术进行了分析，最后进行了全面总结。

1 5G-A通感融合架构研究

随着5G技术的不断发展，毫米波和空间天线技术推动了在5G-A阶段进行基于5G架构的通感融合研究。5G-A阶段的通感融合应对是通感融合的初步融合，5G-A阶段是指在R19及后续5G版本中需要进行部署的通感融合系统，架构的稳定性和可继承性是需要重点考虑的，因此本阶段不考虑改变原有的网络架构和通信波形，更多的考虑使用现有频率和设备架构进行一些简单的通感融合业务，如高精度定位或者非高精度的成像业务等。

1.1 5G-A广域场景部署的通感融合架构

在广域场景下，通感融合需要考虑在较大的范围内实现通信和感知业务，因此需要考虑可以兼顾移动性的要求下在较高的层次的核心网网元上部署感知处理网元。下面给出一种将感知网元放置在AMF，当然也可以考虑放置在AMF后面的核心网网元，架构图如图1所示。可以看出，这个架构就是现在5G网络的架构，核心网和无线侧都没有突破性改变，仅是通过设置简单的核心网网元的感知功能的增强或者在核心网中额外添加一个感知处理网元就可以实现，类似于5G中定位模块。在无线侧可以添加感知接口或者复用原有的Uu口进行感知数据的接收，核心网可以按照感知处理网元是否合设，进行专有感知接口的设置工作。

图1 5G-A广域场景部署的通感融合架构

1.2 5G-A局部场景部署的通感融合架构

5G-A局部场景部署的通感融合架构主要是适用于园区等较为封闭和业务本架构将感知网元进行相对集中的场景。在这种情况下，本文考虑与现有本地化网络的衔接性和信息保密性要求，建议在局域网范围内设置感知处理网元，同时也可以按照需求与公网进行协作。在本架构下，可以考虑核心网网元下沉，按照需求将UPF等网元或整个局域核心网一起下沉，实现低延时高可靠的要求，图2给出了网络架构：

图2 5G-A局部场景部署的通感融合架构

2 6G通感融合架构研究

由于目前6G的网络架构尚未明确，因此对6G通感融合的架构研究还相对较少。本节主要考虑6G中较为明确的多频谱特征和算力网络的应用特征，提出了两种6G通感融合网络架构。

2.1 高低频协助的6G通感融合架构

频率一致是通信和感知共同部署的关键资源，但是低频频段虽然覆盖范围广泛，但是缺乏大带宽及丰富的波束资源，感知能力有限；反之，高频段则是在频能力和带宽方面都有极好的表现，但是覆盖范围小影响了大范围部署。从通信技术发展的情况来看，6G的频段将朝超高频段（THz）发展，同时也将沿用频谱重耕的原则对中低频段进行6G化处理，因此在通感融合架构中也应当考虑高频和低频联合使用的网络架构。图3给出了基于高频基站和低频基站联合部署的通信感知网络架构。通过在低频基站内添加简单的感知多径变化判别功能模块和感知触发识别功能，完成初次感知和特发情况触发功能；通过添加感知服务器，对感知进行综合处理；通过在高频基站上添加感知功能，实现通信不间断，感知随机应变的功能。图3给出了高-低频通信感知一体化的架构，低频基站可以覆盖较大的范围，但是其带宽有限，穿透能力好导致多径较少，精准定位和成像的能力有限，因此可以作为初步感知。相对地，高频基站是毫米波或者THz基站，这类基站带宽较大且大量多径，成像和定位效果好，但是由于工作频率高，导致覆盖能力有限且对障碍物较为敏感，因此只能进行短距离的通信和感知。

图3 高低频协助的6G通感融合架构

2.2 基于算力网络的6G通感融合架构

6G中，人工智能和算力网络都将极大地提升整个网络的计算性能。算力网络是一种根据业务需求，在云、网、边之间按需分配和灵活调度计算资源、存储资源以及网络资源的新型信息基础设施[17]。目前，网络基础设施通过其成熟发达的连接感知触角，将多级分布的算力资源进行统一的动态纳管、调度和编排，实现全网资源的虚拟算力池化优势，在提升服务质量和资源利用率的同时，为网络运营商使能全新的业务提供能力和算网融合商业模式。

因此，在6G通感融合架构设计中，也可以通过在终端、基站和核心网等网元分别进行择优化的力所能及感知数据处理，并分级分层的将感知处理阶段结果进行叠加处理，完成感知数据的集约化，从而充分节省空口资源。

3 面向通感融合系统的关键技术研究

在通感融合中，需要考虑多种典型技术的研究，其中波形、设备工作模式和空口技术等都有较大的研究难点，也决定了通信和感知的可行性。

3.1 新型一体化波形研究

通信和感知融合后，现在的波形将无法满足现在的双重部署需求，因此一体化波形设计成为通信感知融合中一个较为重要的技术。通感一体化波形的设计，可以从理论的角度入手，并结合应用的需要，开发出最适合通信和感知一体化的波形，从根本上实现通感融合的要求。从当前的研究来看，波形设计可以分为2个不同的发展方向，一个是采用现有波形的折中选择[13-15]，一个是采用全新的波形[16]。首先从目前的研究来看，OFDM可以满足一定的通信和感知需求，但是需要进行带宽和帧结构的改变。新型波形则是要更深层次地将雷达波形融入到通信波形中，从未实现较好的通信和感知性能的双向提升。

3.2 面向通感融合的全双工技术

相对于通信来说，感知需要同时且连续的发送和接收数据，这样才能实现高质量的感知需求。但是目前5G通信大部分都是采用TDD模式，无法做到同时接收。FDD可以实现上行和下行同时进行，但是目前仅用在低频段且需要独立的上行和下行频段，资源利用率低，无法利用到高频段的资源及特定的频率特性。

全双工技术的优点可以总结如下：1）高频谱利用率：与利用正交行道的穿透半双工方式不同，全双工技术能搞同时同频收发，在无自干扰的理想情况下比半双双工的频谱利用率提升1倍；2）高安全性：在一个包含全双工设备的网络可以利用自身信号消除干扰，有效地接收其他设备发送的信号，避免了窃听设备利用多重叠干扰信号获取有用信号[18-19]。

全双工技术在应用时存在着不容忽视的问题，其中最大的问题是回环干扰噪声会对系统性能造成严重的影响。回环干扰噪声指同时接收和发送同频信号导致发送信号被全双工节点自身的接收天线接收。实际全双工系统中，接收来自对方节点有用信号传播的时间和距离均远远大于回环干扰噪声。因此有用信号和回环干扰噪声的强度有很大差别，导致难以直接解码获得有用信号。干扰问题也是影响全双工技术研究的重要问题，其中包括非理想干扰消除和用户间干扰增强。

全双工实现上行和下行的同步接收和发射，可以较好地实现通感融合的要求，但是目前全双工技术的难度较大，需要进行较多的研究。但是从性价比上来看，全双工将是解决通感融合高效能通信和高精度感知的较优化的技术路线。

3.3 超大规模天线与智能化天线阵列

超大规模天线是6G中一个较为明确的研究方向，可以最大化空间可用性，在加持通信和感知的需求后，超大规模天线可以使用精准的空间复用提升吞吐量，也可以使用超大规模天线的海量多径信息对需要感知的物体进行较为准确的感知。

大规模天线技术的升级演进，随着新技术新材料的出现，阵列天线得以进一步地扩大，并可提供新服务，支持新场景，获得更高的频谱效率、更灵活的网络配置、更精准的定位及更高效的能耗效率，满足未来移动通信的部署。

目前超大规模天线的研究方向如下：

1）超大规模信道建模，低复杂度低开销信道估计和反馈，如近场模型/连续孔距/空时非平稳特征/更高频段；

2）以用户为中心网络结构和低成本、灵活部署方案的实用化分布式大规模天线；

3）新型天线材料与系统架构融合的新型阵列结构和天线设计；

4）智能化超大规模天线；

5）空间精准定位与感知。

此外，超大规模天线可以将波束调整到尽量的高强度，这样的窄带部署可以在感知中获得更加强大的回波信息，对感知物体的位置和外形等可以进行较为精度的感知。

4 结束语

通信和感知融合或者一体化是当前较为有场景的6G技术，也是可以在5G-A阶段进行提前部署的潜力技术。通信和感知一体化或者融合是一个循序渐进的过程，内部需要研究的内容很丰富，但是可以有效地提升通信的质量，也可以实现无接触感知，是未来一个比较有潜力的发展场景，需从架构、关键技术和评价指标等进行全方面研究，不过通感融合并不存在对其中任何一个行业的吞噬化，未来的通感一体技术将是一个开放的、互助的良性发展的全行业生态圈。