5G-Advanced通感融合网络架构研究报告定稿完整版

研究报告要点 无线通信感知融合是5G-Advanced(5G-A)的关键技术之一，可广泛用于智慧交通、智慧低空、智慧生活、智慧网络等典型应用场景，这要求对当前5G网络进行转型升级实现网络无线感知能力。 本研究报告根据5G-A通感融合典型应用场景和需求系统性地分析了无线网络端到端实现感知能力所要面对的关键问题和所要满足的技术需求。面对感知应用的差异化需求，本报告提出了多种不同的通感网络架构，并分别从架构、接口、协议、功能、端到端业务流程等方面展开了详细研究设计。最后，本报告还对未来通感融合网络架构进行了展望，为通感融合网络架构技术的研究、标准化、产业推进提供支持和参考。 IMT-2020(5G)推进组 5G-Advanced通感融合网络架构研究报告 目录 概述 5G-A通感场景 5G-A通感关键问题和技术需求通感网络架构 通感协议栈通感基本功能通感基本流程总结与展望附录 主要贡献单位 P1P2P3P13P20P26P31P41P42P45 IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。 概述 人类社会不断发展并进入数字信息化时代，人们在工作、教育、休闲娱乐和人际交往等方面享受着科技进步带来的高效、便捷、和乐趣，极大提高了人们的生活水平和质量。而毫无疑问，无线通信网络是其中至关重要的一环，为人们提供无时无地的通信服务，其已经深入到当今社会生活的各个方面，成为社会发展不可或缺的一部分。 伴随着快速增长的多样化应用需求，不断对无线通信网络提出了更多更高的要求，推动着无线网络能力的不断增强。通信网络设备满足更加严苛的通信服务性能的同时，也将扩展支持更多的应用服务能力，其中，感知为最具有潜力发展的能力之一。通信感知融合不仅为构建智能服务、智能网络提供所需的基础环境感知和目标物体感知能力，也将推动衍生新应用服务创新。由此，通信感知融合是当前产业界在5G-A的重要研究技术方向之一。 通信感知融合通过信号联合设计和/或硬件共享等手段，实现通信、感知功能统一设计。其中通信感知融合中的感知可以理解为属于一种基于通信系统的无线感知技术，通过对目标区域或物体发射无线信号，并对接收的无线信号进行分析得到相应的感知测量信息。因此，无线通信网络天然地拥有无线感知能力，基站和终端将同时具备通信和感知能力，可以为感知应用提供感知服务，包括智能交通、无人机监管、国铁周界安全检测、智慧家居、公共安全、健康监护、环境检测等领域。 目前在移动通信领域，通信感知融合主要发展在初期阶段。在当前的5G-A阶段，主要探索基于5G基础网络架构和空口增强设计，利用无线信道特性，获得更丰富环境信息，实现基础感知应用。而在未来阶段中，可以从“一体化”的维度探索通信与感知在波形、频谱、天线、系统等软/硬件资源方面的深度融合，包括新的通感一体化空口及网络架构的设计，以实现更高效的资源利用率，同时满足新的通信感知能力指标要求。 目前国际标准组织3GPP（3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划）SA1正在开展通感场景需求研究，SA2在R18阶段讨论过通感网络架构的研究立项问题，预计在未来通感场景需求研究基础上进一步开展相关研究。国内标准组织CCSA(ChinaCommunicationsStandardsAssociation，中国通信标准化协会)也于2022年8月针对5G通感融合技术成立研究立项，研究5G-A网络架构以及相关无线关键技术。本研究报告面向5G-A阶段通信感知融合，从网络架构标准化研究角度，结合5G网络架构现有设计研究当前5G通信网络使能感知服务在网络架构设计中面临的关键问题、通感融合网络架构设计、通感融合协议栈、通感融合基本功能和流程，并给出相应潜在解决方案。 本报告研究成果一方面希望可以为国内国际5G-A通感融合标准研究提供基础，进一步推动5G-A 1 通感融合的标准化、通感融合设备的研发试验以及通感融合应用的产业化进程，另一方面也希望为后续6G通感一体化网络架构设计以及其标准产业化提供参考。 5G-A通感场景 5G-A通感场景根据感知需求中以指定感知区域为主还是以指定感知目标为主可分为面向区域 （Per-Area）通感场景和面向目标（Per-Object）通感场景。从感知目标是否具备信号发送或接收能力可以分为基于设备（device-based）通感场景和无设备（device-free）通感场景。例如在飞行路径管理、基站和终端波束管理中，其感知目标无人机和终端是具备信号发送或接收能力的用户设备，属于基于设备通感场景。在天气监测和呼吸监测中，其感知目标降雨和人是不具备信号发送或接收能力的目标，属于无设备通感场景。 2.1面向区域通感场景 感知需求在千行百业普遍存在，针对需要在工厂、道路、低空、城市甚至更大的时空范围高效感知路、车、人实时状态的场景，我们称之为面向区域（Per-Area）通感场景。 智慧交通场景中，例如，可以基于通信感知一体化基站或基站间协作实现对道路环境的感知，有效实现高精地图构建，为自动驾驶汽车安全运行提供超视距辅助；基于通信感知一体化基站或基站间协作实现全方位、全天候、不间断地探测行驶车辆的移动轨迹和移动速度，并将感知测量数据上传至处理中心，全面提升高速公路运行状态智能感知能力，为道路监管提供数据支撑；基于通信感知一体化基站实现对铁路轨道环境的感知，实现全天候的高铁周围异物入侵检测。 智慧低空场景中，例如，可以基于通信感知一体化基站或基站间协作对空域进行全方位多角度的感知并将感知结果提供给无人机，可以为避障预警提供冗余量，提升无人机避障成功率；基于通信感知一体化基站或基站间协作进行全空域感知，定位并跟踪侵入到监管范围内的无人机，进而实现面向固定区域的无人机入侵监测。 智慧生活场景中，例如，可以基于基站和终端协作、或终端自发自收、或终端间协作工作模式， 通过感知无线信道变化进行呼吸监测、健身监测、手势/姿态识别等，基于通信感知一体化基站或基站 间协作，测量通信链路中的信号链路衰减、进而利用信号链路衰减与天气指标之间的关系分析得到对应的天气指标，进行天气监测。 智慧网络场景中，例如，可以基于通信感知一体化基站或基站间协作获取小区内空闲态终端密度和位置等信息，辅助小区内基站节能和基站资源调度优化等。 2.2面向目标通感场景 当感知目标具有目标标识时，利用通感技术对目标物体进行感知、追踪，以获得被感知物体状态的动态监测的场景，我们称之为面向目标（Per-Object）通感场景。其中目标标识包括两种情况：一是感知目标本身的标识；其次是感知目标与具有标识的物体紧耦合，其中目标标识用于标记感知目标，可以是UE（UserEquipment，用户设备）标识或应用提供的外部标识或者网络临时分配的标识等。例如，当发现违法车辆或黑飞无人机时，需要在对其进行管控之前精准地连续地追踪它们；而在车辆启用自动驾驶时，无线网络可以对其周边小范围进行连续感知并将感知结果发给车辆以辅助自动驾驶。在该场景下，感知设备可以基于目标物体的位置信息，向其发送感知波束，从而不仅可以获得更精准的感知测量数据，还可以提升波束管理准确度和提升无线资源效率。 5G-A通感关键问题和技术需求 通感技术利用无线信号感知周围环境的目标或状态，无线侧终端或基站采集信号强度、时延、相位变化、多普勒频移等信息，经计算处理后输出结果，如目标大小、位置、速度等。该过程中，网络需按照业务需求触发、修改或结束感知流程、调度无线资源、处理数据、开放结果。此外，由于感知可能涉及用户隐私安全，核心网需执行鉴权或授权，处理敏感的感知测量数据。因此，5G-A网络需支持控制感知流程，并对感知测量数据进行处理，同时将感知结果开放给第三方平台或终端。 本章基于5G-A通感场景，从端到端通信系统架构角度出发，给出为了满足多样化通感场景和业务要求所面临的关键问题，并制定相应的技术要求，作为通感网络架构设计的基本依据。 3.1关键问题1:面向感知业务的网络架构 3.1.1问题描述 面向不同业务场景，感知触发方、执行方和感知粒度各不相同，5G-A网络架构需支持多种场景的感知业务。无线网络中基站或终端通过对目标区域或物体发射无线信号并对接收的无线信号进行测量得到相应的感知测量数据。感知网元需支持独立或与其他网元共同处理感知测量数据（即基站或终端上报的感知测量数据的值）生成感知结果，数据的处理需考虑单基站感知、多基站感知、单UE感知、多UE感知，以及所述感知UE识别和跨基站移动的场景。感知网元可独立处理感知测量数据，也可与NWDAF（NetworkDataAnalyticsFunction，网络数据分析功能）共同处理实现智能化分析和预测。感知测量数据的处理需考虑多种场景，多基站感知时，不同基站的感知区域可能存在重叠，需进行数据分割与提取；当UE参与感知时，需明确UE识别方案；当UE跨基站移动时，需关联处理同一目标的数据。 同时，核心网需要作为桥梁将基站或终端感知能力开放给感知业务请求方，需考虑具体场景明确感知结果的内容与格式。其中，感知业务请求方可以是终端、外部应用AS（ApplicationServer，应用服务器）、5GS（5GSystem，5G系统）网元。 面向此问题，需要研究： ●是否需要引入独立的感知网元处理感知业务的相关功能，同时具备控制面和用户面处理能力； ●如果引入感知网元，感知网元和其他功能之间的接口； ●如果引入感知网元，不同感知业务请求由同一个感知网元处理，还是由不同的感知网元处理； ●如果引入感知网元，所包含的具体功能： -如何进行感知QoS（QualityofService，服务质量）参数转换：为满足感知业务QoS需求，需进行QoS参数转换。将感知业务类型或标识、QoS要求和感知测量数据上报周期等信息传递到执行感知的终端或基站。若感知需求改变，如感知区域、数据上报时间或QoS要求等发生变化，终端或应用需要触发对应的修改流程； -如何触发感知业务； -如何终止感知业务； -如何根据感知业务需求控制基站或终端执行感知； -如何高效地处理感知测量数据； -如何提供/开放感知结果。 3.1.2需求 网络需支持感知功能，包含主要感知功能（即感知控制功能和感知计算功能）的网元在本研究报 告中称为SF（SensingFunction，感知网元）。感知网元SF可为独立网元或与其他网元合设，部署方式可为集中式或分布式。NRF（NetworkRepositoryFunction，网络存储功能）存储感知网元的上下文信息，以使得其他网元可通过查询发现和选择合适的感知网元。 3.2问题2：感知能力定义和注册上报 3.2.1问题描述 移动通信网络的感知能力由核心网感知网元SF能力、无线接入网感知设备（包括基站和UE）组成，需研究： ●感知网元SF的能力定义； ●感知网元SF能力上报：面向移动通信网络潜在支持的感知业务需求，所请求的感知业务应由合适的感知网元来执行。因此在感知任务到达感知网元SF之前，感知网元SF需要将自身与感知业务相关的能力信息注册到NRF，使得后续其它核心网网元（如AMF（AccessandMobilityManagementFunction，接入和移动性管理功能）、NEF（NetworkExposureFunction，网络能力开放功能））可以基于感知业务的类型、需求信息、区域限制信息等，选择能力适合的感知网元SF服务于该感知业务。然后感知网元SF进行感知设备的选择、感知业务的控制、感知测量数据的处理等工作； ●感知设备的能力定义； ●感知设备能力上报：感知设备指感知信号发送设备，或者接收感知信号并做相应测量的设备。移动通信网络中参与感知