支持通信感知一体化的6G 核心网关键技术研究*

王 全，邢燕霞，樊万鹏，王卫斌，周建锋，李鹏宇

（1.中兴通讯股份有限公司，江苏 南京 410012；2.中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

通信感知一体化技术主要通过无线电波实现感知和通信融合。其中，通信通过无线电波传输信息，如语音、视频、数据等；感知通过无线电波探测物理世界的状态和特征，如位置、速度、形状、距离等。通感一体化使6G 系统具有对物理世界的高精度观察和重构能力，从而实现对万物智联的支撑。

2023 年6 月ITU-R 完成的《IMT 面向2030 及未来发展的框架和总体目标建议书》[1]，明确提出了感知与通信的融合、人工智能与通信的融合和泛在连接成为6G的主要新场景。未来的6G 网络将超越通信，演进为连接、感知、智能的统一体。

通感一体功能主要面向行业场景。例如低空经济无人机的“黑飞检测”，无人机巡检、物流快递的路径规划，空中防碰撞，智慧交通中通过通感检测“鬼探头”以保证安全驾驶，铁路、高速公路异物入侵检测，工厂的环境重构，工厂自动导引运输车（Automatic Guided Vehicle，AGV）防碰撞等[2]。

无论是在广域场景（如特定空域、铁路、公路等），还是在工厂、企业等局域场景，6G 核心网必须具备完善的感知管理、感知鉴权、感知计费功能。这些感知功能可以确保只有获得感知权限的实体才能使用感知结果，并能够正确地计费。因此，不同于现有5G 核心网面向连接的网络功能，6G 核心网架构需要设计新的网络功能实体以及不同网络功能实体之间的感知交流流程。

与5G 网络核心网网元之间、核心网和接入网之间的消息不同，感知信息在感知数据包的大小、生成的频率、传输特征等方面存在本质的区别[3]，例如针对不同精度的车辆或行人感知场景，基站感知原始数据大小从几十MB 到几个GB 不等，现有5G 控制面SBI 接口无法高效传输感知原始数据；5G 用户面是基于UE 的，而对环境或物体的感知和UE 无关，也无法利用现有的用户面接口传输感知数据，6G 核心网必须设计新的数据传输方案来传输感知原始数据。

针对不同的感知场景，感知性能需求不同[3]，特别是感知时延，例如针对辅助驾驶检测“鬼探头”场景，要求感知时延≤100 ms；针对雨量检测，感知时延可以为分钟级。针对不同的感知场景，网络功能需要支持灵活的部署需求，既支持中心部署，也支持部分网络功能边缘部署，以满足低时延感知需求。

本文提出了一种通感一体化功能在6G 网络架构中的关键技术实现方案：网络架构及感知网络功能建议；增强5G SBA 架构，新增双总线方案，通过DCI 接口传输感知原始数据；提出了感知能力在6G 移动网络实体的分布，以及端到端感知和开放流程的实现方法。同时，本文对未来6G 网络支持通感一体化的关键挑战进行了展望。

1 通信感知一体化研究现状

ITU 在2020 年发布了《全球移动创新展望报告》，提出了6G 通感一体化的概念和愿景、相关的技术需求和挑战。2023 年6 月，国际电联如期完成了《IMT 面向2030 及未来发展的框架和总体目标建议书》，将感知与通信融合作为6G 新场景之一。

3GPP 在2021 年启动了5G-A（5G-Advanced）项目，其中包括了基于5G 空口的通信感知一体化（Integrated Sensing and Communication based on 5G NR,ISAC-NR）研究主题，旨在探索5G 空口支持通信感知一体化的技术方案和性能评估。2023 年6 月，3GPP SA1 完成研究课题《Feasibility Study on Integrated Sensing and Communication》，涉及智能工业、智慧交通、智能生活、健康检测、气象监控共五大领域及32 个场景用例[4]，如表1所示。

表1 通感一体典型场景及分类

3GPP SA2 正处于R19 立项阶段，预计2023 年底前将最终确定通信感知一体化正式立项。目前针对感知服务的整体架构和功能增强、感知服务授权和控制、感知测量、感知开放、感知实体发现和选择等关键问题基本达成一致意见，各个公司也给出了自己的候选技术方案。

我国IMT-2030(6G)推进组于2019 年6 月由中国工业和信息化部推动成立，目前已经立项“6G 通感算一体化网络架构”“6G 通信感知一体化安全需求与技术研究”等通感一体化相关课题，并发布了系列研究报告。

可以看出，通感一体化作为6G 关键场景，预计5GA R19 阶段将提前启动技术规范的研究和制定工作。本文将探讨6G 核心网支持通感一体化的关键技术和方案，同样可作为5G-A 核心网架构设计的参考。

2 技术框架

2.1 6G 感知系统架构

业界尚未对对于6G 核心网架构达成一致共识，但普遍认为，6G 核心网将继承5G 核心网架构并进行增强，在原有5G 控制面、用户面的基础上增加数据面（传输感知数据和AI 数据）和智能面，从而满足人工智能与通信的融合、感知与通信的融合等新场景[5-8]。按照这种思路，具备感知能力的6G 核心网功能架构如图1所示。

图1 感知功能在6G 架构下的网络实体分布

网络控制单元：功能包括移动性管理、会话管理、鉴权认证、策略控制、感知控制等基础功能，同时支持4G、5G 等传统接入方式和其他功能的扩展。

网络数据单元：在提供用户核心数据的基础上，新增网络数据、感知数据、AI 数据和算力数据，并提供标准化的信令交互方式和数据访问通道。

网络报文单元：继承现有用户面数据转发的基本功能，引入用户面可编程，同时向算网业务感知、确定性通信和自治域网络互联等功能特性演进。

网络智能单元：支持训练、推理、决策等与AIaaS 相关的功能，同时支撑网络自治的需求、通感一体的需求以及对外提供AI 服务的需求。

由于6G 网络具体网元名称及功能划分尚未明确，因此感知相关功能实体在6G 网络中具体哪个网元承担当前尚无法明确。本文提出一种感知网络功能（Network Function,NF）的设计方案，具体6G 标准实现中，可能采用不同的NF 名称，也可能由现有5G 网络功能例如接入控制功能(Access Management Function,AMF)、定位管理功能(Location Management Function,LMF)、网络暴露功能（Network Exposure Function，NEF）进行功能扩展，增加相关感知能力实现，但所要完成的基本能力一致[9-12]。

2.2 感知网络功能

6G 网络感知NF 包括：网关感知功能（Gate Sensing Functiong，GSF）、感知控制功能（Sensing Functiong-Control,SF-C）、感知计算功能（Sensing Functiong-Unrefined Data Processing,SF-U）和感知智能功能（Sensing Functiong-Intelligence,SF-I），如图2 所示。

图2 6G 网络通感一体化网络功能

2.2.1 GSF

GSF 接受感知业务请求，并将感知请求发给合适的SF-C，获取感知结果并将感知结果开放给给业务请求方。GSF 具备业务管理、感知鉴权、感知路由、感知计费和感知开放等功能[13]。

业务管理：具备对一个或多内容/业务提供商（Content or Service Provider，CSP）进行管理的功能，例如CSP 最大请求数、感知模式、感知白名单等，其中感知模式包括基站自发自收、基站发终端收、基站A 发B 收、终端自发自收、终端发基站收、终端A 发B 收等。

感知鉴权：用于对CSP 进行鉴权，判断CSP 是否具备感知权限。CSP 只有鉴权通过，才能进行感知操作。

感知路由：GSF 作为网关感知功能，在网络中部署位置比较高，例如全国平台或者省份部署，实现一点接入，全网服务。针对静态区域感知，GSF 需要根据CSP请求的静态区域信息，路由到合适的SF-C；针对动态区域感知，GSF 需要根据感知请求的终端的当前实时位置确定感知区域，路由到合适的SF-C，向SF-C 下发感知请求。

感知计费：无论对成功或者失败的感知请求，感知管理实体均产生感知详单SDR(Sensing Detail Record)，根据运营商策略，将SDR 立即或周期性地传递给运营商计费中心；当UE 执行感知任务时，UE 相当于运营商的一个网元实体，运营商计费策略上可能需要反向计费，即对UE 进行话费补贴、现金发放等，提高UE 参与感知的积极性，繁荣感知生态。

感知开放：SF-C 将感知结果立即、周期性或者事件触发等方式传递给GSF，由GSF 通过感知能力开放接口，将感知结果发送给CSP。

2.2.2 SF-C

SF-C 根据感知区域信息，确定具体感知执行的基站或UE，下发感知请求，获取感知结果。

感知注册：具备感知能力的基站或者终端周期性地或者其状态发生变化时，将其感知能力注册到感知控制实体，感知控制实体执行感知任务时，可以实时选择合适的基站或者终端进行感知，简化交互流程，降低感知时延。

感知选择：SF-C 需要根据感知需求的类型，潜在的具备感知能力的基站或者终端，根据其位置、能力、意愿、负载状况等选择合适的基站或者终端，执行感知执行。

感知计算[14]：如果感知接收节点对各自接收到的反射信号进行预处理，已经获取了时延、多普勒、角度、强度等感知测量量或者感知接收节点获取了感知结果，则感知计算可以由SF-C 完成。

2.2.3 SF-U

SF-U 主要负责针对感知原始数据的感知计算功能。

如果感知接收节点对接收信号不做任何处理，直接输出原始感知数据，则需要SF-U 按照一定权重进行叠加合并后再进行优化处理提取感知信息,进行感知计算，获取感知结果。

由于感知接收节点需要将原始感知数据发送给SFU，数据量大，占用传输资源多，SF-U 需要处理大量的原始信号，占用大量的计算与存储资源，处理时延大。为了降低感知时延，实际部署时，SF-U 可以在边缘部署，靠近基站侧，从而降低传输资源以及感知时延。

2.2.4 SF-I

SF-I 主要负责感知训练和推理，提升SF-U 感知计算速度,SF-I 可以是SF-U 的一个智能模块。

为了提升SF-U 处理速度，可以考虑与人工智能融合的方法[5,15]。在前期神经网络训练阶段，通过在SF-I 部署大量用于训练的感知校准件，获得感知校准件反射信号作为训练数据。训练阶段，根据算力情况，SF-I 可以部署在网络侧或者边缘侧，训练后的感知模型部分可以部署在边缘侧。在进行实际感知时，SF-U 将感知接收节点发送的原始感知数据输入SF-I 神经网络，从而快速得到感知结果。

2.3 双总线方案

双总线传输方案针对感知原始数据的传输。感知测量量或者感知结果的数据量小，采用现有5G 核心网控制面传输方案SBI 接口即可，不需要DCI接口。

为支持丰富的感知业务，感知执行实体的接收节点首先需要接收感知原始数据，形成点云信息；然后根据接收信号或信道响应得到基本测量量，基本测量量包括时延、多普勒、角度、强度，及其多维组合表示；感知计算节点根据基本测量量计算出感知结果，包括基本属性、状态距离、速度、朝向、空间位置、加速度等，不同层次的感知信息如表2 所示。

基站和终端感知的原始感知信号可以用点云信息来表示。典型的，对于一辆普通的汽车，高分辨率的扫描可能会产生从几百万到数千万个点。每个点的数据大小可能在20 B～50 B 之间。因此，对于一个包含一千万个点的点云数据，如果每个点的大小为30 B，那么整个数据集的大小将是300 MB。

5G 网络核心网网元之间基于SBA 架构的HTTP/2信息、核心网网元和接入网之间的等NG-AP 信息、UE 和核心网网元之间的NAS 信息，均难以传递大包感知数据；基于用户面的会话数据，虽然可以传递大包数据，但仅用于与终端相关的用户面数据，因此也不适用感知数据的场景。

为此，提出了一种新的6G 网络传输感知数据的双总线方案，其理念是继承现有5G 网络成熟的SBA 架构：针对感知测量量、感知结果等小数据量采用现有5G SBA 架构SBI 总线传输；针对感知原始数据，增加新的数据总线 DCI，形成双总线，如图3 所示，解决SBI 难以实现的大块数据的高效传输。

图3 双总线方案

（1）SF-C 通过SBI 接口向基站或者UE 下发感知执行请求。

（2）基站或者UE 根据当前算力负载、通信负载等综合信息，确定本次感知只传输感知原始数据给SF-C；执行感知任务，通过SBI 接口返回感知响应，告知感知原始数据获取的方式，例如sFtp，同时返回sFtp 的地址、端口、用户名、密码、文件名等。

（3）SF-C 通过SBI 接口向SF-U 下发感知计算请求。

（4）SF-U 通过DCI 接口获取感知原始数据，进行感知计算；如有必要，可以通过SF-I 提升处理速度，快速获得感知结果。

（5）SF-U 向SF-C 返回感知结果。

双总线交互方案有两大优势：

（1）场景可扩展。DCI 接口除了支持6G 感知数据外，还可支持6G 其他场景扩展。例如6G 网络海量的AI训练数据、AI 模型数据、物联网设备数据等在网络不同功能实体之间的传输，也可以采用双总线架构，实现大块数据的高效传输。

（2）数据交互方式灵活。6G 网络中感知数据、AI数据、算力数据、网络数据等数据格式和数据交互模型存在较大差异，统一的数据交互协议不能满足差异化的数据交互需求。采用双总线方案，只需要在业务消费者和业务生产者之间规范具体的DCI 数据交互格式和应用层协议，对其他网络功能实体不产生影响。

3 无人机入侵感知端到端感知流程

低空无人机入侵感知是通感一体化最重要的场景之一。

无人机产业在全球范围内迅速发展，广泛应用抢险救灾、工业检验、公安巡逻、货物运输、物流快递等。然而，这也给无人机监管带来了很大的挑战，原因如下:

（1）低空无人机具有数量多、体积小、飞行区域宽的特点，广泛用于执行复杂多样的任务，仅使用传统雷达系统对无人机进行感知监控非常困难。

（2）非合作无人机可能会有意无意地侵入某些禁飞区(如机场)，从而导致严重后果，如使用摄像头暴露私人信息，阻碍飞行路线上其他无人机的交通。

通感一体技术可以很好地解决在轻轨、机场、政府设施、科研院所、高铁站、临时演出场地等永久或临时限制区域无人机入侵感知管理，示例流程如图4所示。

图4 无人机入侵端到端感知流程

（1）无人机监管部门发起感知业务请求，其中感知业务请求里携带感知区域ID，例如区域1、区域2 等。

（2）GSF 对无人机监管部门（CSP）进行鉴权，鉴权通过根据感知区域信息确定SF-C。

（3）SF-C 根据感知请求的类型，感知基站的位置、能力、意愿、负载状况等选择合适的基站，并发送感知执行请求。

（4）基站执行感知任务通过DCI 接口将感知原始数据传输给SF-U。

（5）SF-U 进行感知计算。如有必要，可以通过SF-I提升感知处理速度，并将感知结果返回给SF-C。

SF-C 将感知结果透传给GSF，GSF 通过感知开放能力将感知结果立即、周期性地或者有无人机入侵发生时返回给无人机管理部门。

针对无人机空中防撞、空中路径规划、车辆辅助驾驶等动态区域感知场景，GSF 还需要通过位置业务（Location Service,LCS）[13]对有感知需求的终端进行实时定位，从而获取动态感知区域，其他感知流程和上述流程一致，这里就不再赘述。

4 结论

由于6G 核心网架构并未确定，感知能力在6G 核心网和接入网之间功能如何切分，感知计算在核心网还是接入网业界还在讨论中。本文提出了一种通感一体化功能在6G 网络架构中统一的关键技术实现方案：网络架构及感知网络功能建议；增强5G SBA 架构，新增双总线方案，通过DCI 接口传输感知原始数据；提出了感知能力在6G 移动网络实体的分布，以及端到端感知和开放流程的实现方法。

本文仅对6G 核心网支持通信感知一体化关键技术进行了初步探讨，尚有很多问题需要进一步研究。例如，如何解决低空异物入侵的身份识别，即不但能感知有异物入侵，还能感知该异物的身份标识；如何解决通信感知一体化技术中存在的安全隐患和隐私泄露的问题等，均是后续需要持续研究的课题。