面向6G通感一体化融合等级评估体系之探究

沈 杰 杨 立 韩志强 夏树强 谢 峰

1 中国电信股份有限公司 南宁 530000

2 中兴通讯股份有限公司 深圳 518057

3 移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室 深圳 518057

引言

随着2022年“第三代合作伙伴项目”(3GPP)Rel-17标准版本功能的完成[1]，5G-NR移动系统的标准化继续朝着Rel-18演进，进入到5G-Advanced(简称5G-A)阶段。5G-A基于5GS现有的架构功能，继续平滑地拓展和增强演进，旨在更高效地支持面向ToC/ToB众多行业领域的新场景和新用例[2]，例如，在FR2高频段的无线覆盖增强，大上行吞吐率传输，超低时延大带宽传输，超高精度定位等方面[3]。

在5G-A阶段之前，5G-NR移动系统除了能提供高质量的通信业务和服务之外，其实在“网络感知技术”方面(标准化了多种终端定位，“网络最小化路测/用户业务体验”测量和评估等功能)，都已有较成熟的方案和产品化成果[4-5]。5G-NR系统的上述感知操作，都只是针对有电子通信感知能力的终端UE(即可和5G-NR网络侧进行通信配合)，而在标准化层面上，5G-NR网络和终端UE并不能对一般的自然界目标物体或环境进行无线感知或收集相关信息，即无法支持更丰富的无线感知内容。

随着2020年“美国电气及电子工程师学会”IEEE成立了802.11bf新通感工作组[6]，它旨在开发实现如何基于WLAN制式信号进行无线环境类感知，3GPP业界也随之更多地开始关注如何基于5G-NR制式信号和5GS系统，利用基站(gNB)和终端(UE)，对一般的自然界目标物体和环境进行泛无线感知，从而它既可辅助优化5G-A系统自身的通信业务性能，又可对外开放提供感知类新业务服务。

所谓“通感一体化”或“通感融合”的说法逐渐地兴起流行，它在学术界工业界已被广泛地使用[7-9]。“通信”和“感知”本属于不同的技术应用领域，各自理论技术和相关应用非常丰富包罗万象，因此“通感一体化/融合”此类说法，其实显得非常笼统和含糊(到底是哪类通？哪类感？什么融合？)，它本身涉及到非常宏大的技术体系和多模态范式。至今，“通感一体化/融合”的具体定义内涵，在业界一直都没有统一确切的规范化描述，于是导致各行各业相关研讨中的话题内容发散、论述基线有分歧和表达描述不对齐等。为了解决上述发散、困惑和不对齐，尽量统一话语体系，本文将重点论述“通感一体化/融合”的具体内涵，并建议一套通感融合等级的评估体系和相关支撑关键技术。基于该体系，业界有望进一步统一认知，对通感融合等级程度进行统一的度量判定和评价。

1 通感融合的内涵解析

本文暂且先认为“一体化”和“融合”是同义词，即下文只暂用“通感融合”统一说法。我们建议先分别清晰界定“通”“感”和“融合”三个词各自的具体内涵及三个词的组合内涵。

1.1 “通”的内涵

这里的“通”可局限在基于电磁波的无线通信系统，工作频段可包含无线中低频毫米波、太赫兹和可见光，但不包含基于机械波、引力波、物质波等的潜在无线通信方式。电磁波无线通信类型大致可分为：蜂窝制式下的单节点通信(单gNB服务UE)[4]，蜂窝制式下的多节点协作通信(双gNB双连接服务UE)[10]，非蜂窝式下的单节点通信(WLAN 单AP服务STA)[11]，非蜂窝式下的多节点协作通信(Mesh自组网中继传输服务等)[12]。上述不同类型的电磁波无线通信系统有着不同的工作频段、系统架构和传输机制，分别适用于不同的通信场景用例等。3GPP、IEEE或其它通信产业圈各自领域的“通”，它们之间有着较大的差异性，这为“通感融合”带来完全不同的“通”的前提基础，进而导致后续“通感融合”相关技术研发思路和未来典型应用方面都有所差异。

中国IMT-2020&2030推进组，实际主要聚焦于3GPP移动系统生态体系及其技术发展路线。因此，从未来“通感融合”实际可应用的广度、深度和商业价值角度看，通感融合中的“通”主要重点是指：以3GPP为代表的无线移动系统，它包括：5G-A/6G网络和终端两大方面。

1.2 “感”的内涵

这里的“感”可局限在基于电磁波的无线感知系统，工作频段也可包含无线中低频、毫米波、太赫兹和可见光，但不包含基于机械波等方式的无线感知(例如超声波雷达)。电磁波无线感知按照其感知任务类型大致可分为：业务信息感知、用户信息感知、系统信息感知、雷达探测感知、雷达定位测速、对象识别检测、环境感知绘图、无线感知成像等[8-9]。上述不同类型的无线感知任务也会对应着不同的工作频段和感知系统架构功能，适用于不同的感知场景用例。通信产业圈和传统感知产业圈(例如，电磁雷达、无线传感网等)领域各自的“感”，它们之间也有着较大的差异性，会为“通感融合”带来完全不同的“感”的前提基础，进而导致后续“通感融合”技术研发思路和未来典型应用方面也都有所差异。

以电磁雷达为代表的无线感知系统，凭借其众多的类型功能和广泛的军民应用度，已成为全球最重要的无线感知基础设施装备[13-15]。电磁雷达系统可面向各类物质、物体进行多维度的感知测量和识别，并不需要目标对象具备任何的电子通信能力。因此，从未来“通感融合”实际可应用的广度、深度和商业价值角度看，通感融合中的“感”主要重点是指：基于或仿造电磁雷达系统所实现的广义空口无线感知，它包括主动式回波感知、被动式电磁感知和基于无线数据传输感知等几大类方式[8]。

1.3 “融合”的内涵

“通感融合”中的“融合”主要重点指：电磁无线系统中的各种资源(频谱、算力、连接等)，功能(管理、控制、调度等)和信息(状态、策略、配置、数据等)三大维度要素，能在通感业务之间分别实现不同程度的复用共享，关联耦合和互助互惠，以实现有机深层次地协同协作。因此，“融合”其实不是一个终极静态状况的描述，而是对应着不同等级程度和动态趋势的描述。我们建议定义并引入“通感融合(方案)等级评估体系”，以此统一地去度量判定各种不同通感融合方案的融合具体程度。

如图1所示，为了避免内容发散且前提不一致，当业界探讨“通感融合”，它首先应先被具体化为：“哪种具体的无线通信类型方式”和“哪种具体的无线感知类型方式”在“哪种等级程度上的融合”这三个基本问题。只有当这三个问题答案先是明确的，“通感融合”的具体内涵才是确定的，进而各种不同的通感融合方案之间才能有可比性；否则不同的通信类型或感知任务所对应的不同通感融合方案，它们之间根本无法直接比较。如图2所示，以单个5G gNB基站(确定了通信类型)去完成无线电环境成像(确定了感知任务)为例，它可有多种不同等级程度的通感融合方案。例如，程度1：gNB可利用当前用于通信的同一套毫米波射频基带模块和该毫米波相同频段同时实现无线感知成像(图2(a))；程度2：gNB利用当前用于通信的同一套毫米波射频基带但不同的毫米波频段独立实现无线感知成像(图2(b))；程度3：gNB利用两套独立的毫米波射频基带模块和不同的毫米波频段独立实现无线感知成像(图2(c))。

图1 “通感融合”三个基本问题

图2 “基于5G gNB通感融合”三种不同融合程度的方案示意

因此，不同类别的“通”，不同类别的“感”和不同的“融合(等级程度)”三者之间，会有很多“通感融合”的有效组合，而每个组合对应于特定的通感融合工作场景用例、问题分析对象和技术实现方案等，因此它们会带来大量的业界发散研讨和标准化研发工作；这其中某些通感融合组合可能是冗余且低价值的，而即使在同一种通感融合组合下，也会有多种不同的融合实现解决方案。反之，只有当通感融合有效组合的前提基础相同(即上述三个基本问题确定)，不同融合方案之间才具备直接的可比性，它们各自的技术复杂优劣性和综合性能比较，才能更公平且有意义。总之，“通感融合等级评估体系”可分级式地区分开不同的通感融合实现方案，以适配满足特定的通感融合场景用例KPI目标性能要求。

2 通感融合等级评估体系

2.1 通感融合三维度要素

无线通感融合至少要涉及到“资源”“功能”“信息”三大维度要素。根据CCSA TC5 WG6相关研究报告的工作进展[9]，从其中引用的图3仅显示了在“资源”和“功能”一体化两方面的初步考虑，但该图的划分逻辑仍然比较模糊且缺乏细分考虑。

图3 CCSA TC5 WG6无线通感融合方式

根据IMT-2030相关研究报告最新进展[8]，在通感一体化的技术发展过程中，通信与感知可分阶段、分层次地融合演进，主要包括：“业务共存、能力互助、网络共惠”三个阶段。这三个发展阶段和通感融合“资源”“功能”“信息”三大要素之间的关系，也并未被深入分析阐述，业界还是存在大量的困惑和理解不一致。因此，针对通感融合等级(程度)和其发展阶段类的关键问题，我们需进一步研讨论述，以期待收敛统一业界理解。

三维度要素1“资源”包含：“系统硬件”(例如系统设备、算力存储、网络连接、基带芯片、射频天线等)、“系统软件”(例如上层应用、协议栈、功能算法、信号处理流程等)、“频谱功率”(例如各个电磁工作频段、发射功率、空口帧结构波形等)三大类。“通感融合”一个重要方面就体现在：对上述三大类“资源”的复用共享，相对而言，从“系统硬件”到“系统软件”再到“频谱功率”融合程度会逐步加深。以一个极端为例，某通感融合系统A仅仅实现了“系统设备”级别一体化的物理集成(就像智能手机集成了相机功能)，和通感业务“上层应用”的逻辑集成，但通感业务各自工作在不同的频段带宽上(就像通信用着1.8GHz，而拍照用着可见光频段)，那么该通感融合系统A在“资源”方面的融合度相对就较低；而作为另一个极端例子，某通感融合系统B进一步实现了“基带射频”级别一体化的物理集成，和通感业务“信号处理流程”的逻辑集成，且通感业务都工作在相同的频段带宽上(基于相同的空口帧结构波形)，那么该通感融合系统B在“资源”方面的融合度就很高，因为它实现了更大程度的资源复用共享操作和增益。

三维度要素2“功能”包括：“管理”“编排”“评估”“控制”“调度”“执行”等基本功能方面。“通感融合”另一个重要方面就体现在：对上述“功能”的通感联合设计和关联耦合操作，相对而言，从上述的“管理”基本功能依次到最后的“执行”功能融合程度会逐步加深。以一个极端情况为例，某通感融合系统A仅仅实现了在“管理”“编排”功能方面的耦合联合操作(例如，统一的管编范式和操控界面)，那么该通感融合系统A在“功能”方面的融合度相对就较低；而作为另外一个极端例子，某通感融合系统B进一步实现了在“调度”“执行”基本功能方面的紧耦合关联操作(例如，统一的控制信令流程和空口时频功率资源分配指示等)，那么该通感融合系统B在“功能”方面的融合度就较高，因为它实现了更紧耦合的功能关联设计操作。

三维度要素3“信息”包括：“业务/应用信息”“用户/目标感知信息”“系统运行信息”等方面。“通感融合”另一个重要方面还体现在：对上述各种“信息”流转融合、互助互惠的利用，相对而言，从上述的“业务/应用信息”到最后的“系统运行信息”融合程度会逐步加深。举一个极端例子，某通感融合系统A仅仅实现了在“业务/应用信息”方面的融合协同参考(例如，通感业务应用层的数据汇聚融合共享)，那么该通感融合系统A在“信息”方面的融合度相对就较低；而作为另外一个极端例子，某通感融合系统B进一步实现了“系统运行信息(例如，功能状态、业务策略、参数配置等)”方面的协同参考互助(例如，基于协议栈的数据流更快地流转共享相关系统运行数据)，那么该通感融合系统B在“信息”方面的融合度就较高，因为它实现了更快、更动态、更全面的系统信息协同和互助互惠操作和增益。

基于“资源”“功能”“信息”三要素的通感融合低中高程度示意如图4所示。图4中每个要素维度中的“低”“中”“高”说明示意，它们之间边界并没有绝对性，并存在部分内容重叠。另外，图4中暂时罗列的典型条目，也没有完全遍历覆盖移动系统中“资源”“功能”“信息”的所有条目方面，但任何和“资源”“功能”“信息”相关的具体条目，都能被放在该图坐标中合适的相对位置。“资源”“功能”“信息”三要素之间的关系，也不是彼此完全独立的，它们之间也存在一定的逻辑关联性，因此在三要素融合程度上，尽量要能做到各要素的“齐头并进”，即“低低低”“中中中”“高高高”式样的搭配。例如，为了实现“资源”方面“频谱功率”的最大化复用共享，就需要在“功能”方面也同时实现通感业务功能之间紧耦合和深度协同调度执行，同时在“信息”方面也要同时实现“系统运行状态信息”的深度协同互惠。反之，如果“资源”“功能”“信息”三要素之间，出现了“高中低”式样的不对齐混搭，则会负面影响到通感融合具体技术方案的KPI效能，导致可能无法满足特定场景用例的需求。

图4 通感融合“三维度要素”低中高不同程度融合示意

2.2 通感融合等级体系定义

基于上述分析论述，我们给出下列“通感融合等级体系”表的定义建议。通感融合等级从高到低依次如下，并概括在表1中。在“资源”“功能”“信息”三要素方面，等级1全部都实现了高等级的融合利用，等级2部分地实现了高等级的融合利用，等级3全部都实现了中等级的融合利用，等级4部分地实现了中等级的融合利用，等级5全部都实现了低等级的融合利用，等级6部分地实现了低等级的融合利用。

表1 通感融合等级体系定义(建议)

当某通感融合方案只满足某个等级“部分地实现”的时候，可采取“就高认定”原则。例如，融合方案A能支持等级4和等级2，却不能支持等级3，融合方案A仍可被认定为达到了等级2。针对融合等级1、3、5中所要求的“全部实现”，由于当前“资源”“功能”“信息”三要素中枚举的内容条目并不完全遍历或完备(后续还需进一步细化补充澄清)，章节2.1仅先做出了定义范式方面的建议，通感融合等级1、3、5的确切认定，还需进一步研究深化和对比应验。相比之下，通感融合等级2、4、6的“部分地实现”定义建议，则具备很大的灵活性，评估认定适用的区间相当宽泛，即只要能实现满足“资源”“功能”“信息”三要素之一的某个等级即可达标。

2.3 实现通感融合更高等级的技术挑战

6G移动新系统将进一步面向“更高的工作频段”(毫米波、太赫兹)、“更广更深的覆盖”(空天地一体化)、“更广更丰富的感知”(泛在感知)进行新系统架构、流模型、功能层面的重构设计[16-18]，从而为原生的6G通感融合奠定更强大的基础条件。6G新系统为了能实现更高等级的通感融合，还需克服解决下列关键技术挑战。

1)通感融合基础理论：通过对通信感知一体化信息论层面的研究，进一步揭示通感融合信息论本质。与传统的香农信息论不同的是：感知能力会为移动系统引入不同的性能指标和理论极限，需在此基础上构建新的通感融合信息论模型，探索两者最佳的联合性能边界和互相权衡方式[19-20]。

2)通感融合联合信号处理：具体包括融合帧结构和波形设计、联合发射波束赋形、联合信号接收、无线干扰管理等。从功能优先级的角度看，可将融合联合信号处理分为以感知为主的融合设计、以通信为主的融合设计和两者联合加权最优的融合设计3大类型[21-22]。由于传统移动系统和雷达系统之间的显著差异，这三类融合设计面临的问题有很大不同。在前两类中，设计研究的重点是如何基于以通信(雷达)系统的主流信号格式为主，在不显著影响主系统的前提下实现辅助的雷达(通信)功能。最后一类需考虑信号波形、系统和网络架构的联合设计优化，在通信和雷达能力之间实现灵活权衡。

3)通感融合系统架构和协议栈联合设计：以雷达感知为例，一般分为脉冲式和连续波雷达，而通信则采用时分或频分等双工方式。解决通感融合系统的全双工操作是一项潜在挑战，而全双工操作对于目前移动通信来说仍然不够成熟，在空间分离的发送和接收节点之间通常存在时钟不同步，这些不利约束将极大限制将雷达感知集成到通信中。为了实现高等级的通感融合，需要设计新的6G系统架构和协议栈，以实现资源、功能、信息的紧耦合协同融合共享[23-24]。

4)通感融合物理实现方式：与现有通感功能分离系统的各自物理实现技术相比，通感融合系统的硬软件实现方式还处于初级阶段，可能的物理设计工艺手段和组合方式多样，但都需进一步成熟优化[25-26]。

总体上，通感融合从当前5G-A发展到未来6G阶段，正在经历“场景和方案由浅入深”，通过更先进技术手段，努力迈向更高等级的通感融合，这需要遵循分阶段市场需求和渐进式的技术产业发展原则[27]，逐步实现从低等级到高等级通感融合技术方案的应用落地。

3 总结

文章先剖析阐述了“通感融合”的具体内涵，即它应先被具体化为：“哪种具体的无线通信类型方式”和“哪种具体的无线感知类型方式”在“在哪种等级程度上的融合”这三个基本问题；只有当通感融合这三个基本问题答案相同，相关不同的通感融合方案之间才具备可比性，它们之间的优劣性和综合性能比较才能更公平且有意义。进一步地，文章提炼指出“通感融合”三维度要素，即“资源”“功能”“信息”，进而可以大致评判出各个维度上“通感融合”的程度。更进一步地，基于三个维度通感融合程度，文章又建议定义了通感融合等级体系，共有6个等级，主要起了等级范式引导作用。为了未来6G能实现更高等级的通感融合，文章又简要介绍了一些关键技术问题和挑战。基于本文提出的“通感融合”具体内涵，跨界跨行更容易统一理解和对齐各自的认知研讨基线。基于本文提出的通感融合等级体系，业界可对各厂家的具体通感融合方案，进行与各个等级对标的对比评价，可指导规划未来6G通感融合系统的分阶段设计和关键技术循序突破。