全球6G技术大会：2023通感一体化系统架构与关键技术白皮书

通感一体化系统架构与关键技术 WHITEPAPERV9.0B2023.03 目录 1 2 2.1 引言01 通感一体化业务与性能指标02 通感一体化业务分类02 2.2 2.3 通感一体化业务的性能指标03 通感一体化典型业务04 3 4 4.1 4.2 4.3 4.4 5 通感一体化主要标准组织的进展12 通感一体化系统架构18 通感融合发展层级18 感知服务参考模型19 感知功能20 感知方式23 通感一体化空口关键技术24 5.1通感一体化波形与信号设计25 5.1.1通感一体化波形简介25 5.1.2 5.2.2 5.2.2 基于通信波形的一体化波形25 基于感知波形的一体化波形26 基于通感融合的一体化波形27 5.2.2波形与信号设计性能评估准则28 5.3 5.2.1 5.2.2 5.4 5.3.1 5.3.2 5.5 多天线感知技术30 基于虚拟阵列的多天线感知技术30 基于波束赋形的多天线感知技术33 网络协作通感一体化35 系统模型35 关键技术36 感知非理想因素的消除技术40 5.4.1 5.4.2 感知非理想因素及其影响40 非理想因素的消除方法44 5.6多频点协作感知技术49 5.5.1 5.5.2 5.5.3 多频点协作感知技术的研究意义49 多频点协作感知技术的架构分析52 多频点协作感知技术的难点分析54 5.7通感一体化的移动性管理54 5.7.1感知辅助通信的移动性管理54 5.7.2感知业务的连续性管理60 5.8 5.7.1 5.7.2 5.9 5.8.1 5.8.2 5.8.3 5.10 通感一体化的链路自适应技术61 基本流程61 测量量和调节参数61 基于RIS的通感一体化技术67 RIS辅助的定位技术67 RIS辅助的感知技术68 感知辅助的RIS通信系统69 基于反向散射的感知与定位技术70 5.9.1 5.9.2 5.9.3 6 反向散射通信技术原理70 基于反向散射的感知技术71 基于反向散射的定位技术74 总结78 参考文献79 缩略语85 白皮书贡献人员89 通感一体化系统架构与关键技术 通感一体化系统架构与关键技术 1.引言 5G是为支持通信服务而设计的。具体的，5G支持eMBB（EnhancedMobileBroadband，增强移动宽带），URLLC（Ultra-ReliableLow-LatencyCommunications，超高可靠和超低时延通信）和mMTC（MassiveMachineTypeCommunication，大规模机器类通信）三大类通信应用场景。5G新空口的第一个版本（Release15）没有考虑感知服务。5G新空口的增强版本（Release16）开始支持基于LMF（LocationManagementFunction，定位管理功能）的UE定位服务。但是5G感知的范畴比较有限，5G只支持对有源设备如UE的位置的感知，不提供对无源物体的速度、方向、材质、成像等的感知。因此，5G主要扮演着信息传递者的角色。 包括沉浸式XR（ExtendedReality，扩展现实）、全息远程呈现、交互型3D虚拟数字人、协作机器人、无人驾驶、多感官互联、甚至元宇宙在内的未来新业务对通信、感知和计算都提出了很高的要求。面向6G，移动通信系统扮演的角色将发生变化，除了信息传递者之外，6G还将扮演信息生产者和信息加工者的角色。信息生产者主要通过提供感知服务来实现的，而信息加工者是通过提供计算服务来实现的。如图1-1所示，6G将原生地支持通信、感知和计算服务，成为支撑未来社会高效可持续发展的网络信息底座，赋能缤纷多彩的未来新业务。 图1-1.5G到6G服务范式的转变 无线通信和无线感知均基于电磁波理论，电磁波信号在人类活动的高价值场景几乎实现了无缝覆盖。在发送端对电磁波信号进行调制，使得电磁波承载信源信息，而电磁波信号在传播过程中会受到无线环境的影响， 通感一体化系统架构与关键技术 即电磁波信号受到环境调制因此也承载了环境信息。接收端通过对电磁波信号的分析，不仅能够得到所承载的信源信息，还能够提取出反映传播环境特征的感知信息，也就是说，电磁波信号具有与生俱来的通信与感知双重功能，这就使得通信感知一体化（IntegratedSensingAndCommunication，ISAC，简称通感一体化）成为可能。相比感知与通信分离的系统，通感一体化系统能够带来许多优势，例如节约成本、减小设备尺寸、降低功耗、提升频谱效率、减小通信和感知之间的互干扰等。 随着6G系统的频段向毫米波甚至太赫兹扩展，其频段具有大带宽和高穿透能力的特点，同时将来更大规模天线和更密集网络的部署，将共同推动6G提供更高感知精度与更高感知分辨率的感知服务。通感一体化将是6G的标志特征之一。本白皮书的第二章介绍了通感一体化的业务与性能指标，第三章介绍了全球主要6G组织关于通感一体化的进展，第四章给出了通感一体化的系统架构。第五章介绍了通感一体化的九个关键技术。第六章给出了结论。 2.通感一体化业务与性能指标 感一体化被认为是6G时代具有广泛应用前景的技术，其业务服务范围将突破传统通信维度，可利用相同设备同时提供感知和通信服务。在业务分类方面，可以按照通信与感知的赋能关系，业务应用范围，对感知测量数据的处理方式，以及感知目标属性等多个维度对感知业务进行分类。在业务性能指标方面，需要对通信和感知能力同时进行衡量。以智慧交通，无人机监测，呼吸监测，手势识别等为代表的典型业务将会对人们的生产生活带来极大改变。 2.1通感一体化业务分类 通感一体化业务中通信和感知能力不是孤立的，二者相互赋能从而实现更好的用户体验。可以根据通信与感知间的相互关系分为通信辅助感知类业务和感知辅助通信类业务。通信辅助感知方面，通信的参考信号作为感知信号，实现目标定位、测速、手势识别等业务；高速可靠的通信能力也为感知数据的汇聚提供保障，能够进一步提高感知精度和感知分辨率。感知辅助通信方面，通过无线感知技术对无线通信环境及通信节点进行探测感知，可获得环境地图、通信节点位置、移动速度等多种先验信息，运用感知信息及感知结果，辅助通信系统对信道估计、均衡、波束管理等模块进行算法选择、算法参数设置及算法优化。 根据业务的应用范围，可以将通感一体化业务分为广域和局域两大类，如图2-1所示。广域通感业务主要面向开放式的空间范围内的业务。该场景的业务通常关注远距离宏观感知参数，其典型应用场景包括环境监测，空天地一体化感知，无人机网络和智慧交通等。局域通感业务主要面向封闭式的空间范围内的业务。该场景业务通常关注近距离微观感知，其典型应用场景包括智慧医疗，智慧办公，智能工厂和智能家居等。 通感一体化系统架构与关键技术 图2-1.广域和局域通感业务示意图 根据对感知测量数据的处理方式，可以分为检测类、估计类和识别类三类感知[2]。检测类是指基于感知测量数据对被感知物体的状态做出二元/多元的判断，状态通常包括目标存在与否或事件是否发生等，例如入侵检测、车辆/行人/无人机检测等。估计类是指基于感知测量数据对被感知物体的参数（包括距离、速度、角度、位置等）进行估计，估计性能可以通过均方误差来衡量。识别类是指基于感知测量数据识别被感知目标是什么，可包括目标识别，以及人类活动/事件识别等，其性能由识别准确率来评估。 从感知目标属性的角度，根据感知目标上是否安装有信号收/发设备，无线感知的感知目标可以分为无源目标或有源目标。对应着，无线感知可以分为对无源目标的感知和对有源目标的感知。实际上，为了增强对无源目标的感知性能，无源目标上可以安装低成本低功耗微小体积的标签设备，例如RFID（RadioFrequencyIdentification，射频识别）无源标签或者backscatter（反向散射）标签。 2.2通感一体化业务的性能指标 通感一体化业务将极大地拓宽未来网络提供服务的能力，为用户提供方便快捷，智能高效的定制化服务。与传统通信业务不同，通感一体化业务除了对通信性能指标进行衡量外，还需要对感知性能指标进行衡量。 通感一体化业务的通信性能指标主要包含误比特率/误码率、网络覆盖率、时延、数据速率、连接密度、频谱效率、能量效率、可靠性等。如表2-1所示，感知性能指标既包括感知业务时延和刷新频率等这一类大部分感知用例涉及的公共指标，也包括前述检测类、估计类和识别类各自涉及的指标，具体指标定义如下[1]。需要指出的是，精度性能指标的量化定义通常需与置信度关联定义，通过置信度（confidencelevel）描述了所有可能测量的感知结果中期望包含真实感知结果的百分比。例如，在置信度95%情况下，定位精度为0.2米。 通感一体化系统架构与关键技术 ■检测准确率（或检测概率）：检测准确率为正确检测目标状态的概率。 ■漏检概率：感知系统在获取表示目标物体或环境特征的感知结果时，漏检该感知结果的概率。 ■虚警概率：感知系统在获取感知结果时，检测到表示非目标物体或环境特征的虚假感知结果的概率。 ■定位精度：描述了目标物体的位置测量结果与其真实位置的接近程度，可以进一步分为水平定位精度（二维参考平面或水平面上的感知结果误差），以及垂直定位精度（垂直轴或高度上的感知结果误差）。 ■距离精度：描述了目标物体的距离测量结果与其真实距离的接近程度。 ■速度精度：描述了目标物体的速度测量结果与其真实速度的接近程度。 ■距离分辨率：表示能够测量的目标对象之间的距离的最小差异。 ■速度分辨率：表示能够测量的目标对象之间的速度的最小差异。 ■识别准确率：表示能够正确识别出感知目标类别/含义的概率。 ■刷新频率：感知系统产生感知结果的频率，它是两次连续感知结果报告给应用服务器的时间间隔的倒数。 ■感知业务时延：从触发获取感知结果到感知系统接口处获得可用的感知结果的时间间隔。 表2-1感知性能指标 2.3通感一体化典型业务 随着科技的发展和行业领域的细分，通感一体化业务在数量和质量上将会稳步提升。在众多业务中，智慧交通，智能工厂，无人机监管，呼吸检测，手势识别和天气监测作为典型的通感一体化业务，将会深刻改变人们的生产生活方式。 通感一体化系统架构与关键技术 智慧交通： 智慧交通是集成车联网、自动驾驶、高精度地图构建等技术为一体的典型通感一体化业务。该业务对通信和感知能力都具有极高要求。通信方面，需要超低时延、高数据速率；感知方面，要求对道路环境本身以及实时动态的车辆行人信息进行感知探测。 通过对多车环境感知数据的共享，道路上的驾驶员可以获得其当前位置以及自身视野之外的空间信息，克服恶劣环境下的视线盲区，并在此基础上执行导航和路径规划。传统即时定位与地图构建（SimultaneousLocalizationandMapping,SLAM）依赖相机或激光雷达，6G通感一体化设备将利用通感一体化信号实现Gbps量级的大带宽数据传输的同时对周围环境进行探测和构建。在车路协同方面，利用通感一体化路侧单元 （RoadSideUnit,RSU）所具备的部署位置优势和设施通感能力优势，能够支持海量终端数据通信，高效感知路、车、人的实时状态，快速获取多车的行驶状态并下发控制信息，为车辆编队、自动驾驶等提供更可靠的服务保障。车辆与RSU的端到端通信时延将有望降至10ms以下，V2V时延有望降至1ms以下，同时通信的可靠性将能够达到99.999%。车辆和路设单元对环境的定位精度在0.5m以下，速度精度在0.5m/s以下，感知角度为2度，感知刷新频率为20Hz-30Hz。 图2-2.智慧交通示意图 无人机监管/路径管理： 随着无人机产品的发展与普及，无人机将会成为人们生产生活中不可或缺的一部分。由于无人机具有体积小， 通感一体化系统架构与关键技术 全天候和全空域等特点，大量的无人机被应用于农业灌溉，应急通信和抢险救灾等垂直行业中。可以预见的是，无人机的应用场景将会越来越多样化。其具体业务场景可进一步细