网络协作通感一体化技术白皮书

网络协作通感一体化技术白皮书 （2023年） 中国移动通信集团有限公司 编制单位：中移智库、中国移动通信研究院、华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司、中信科移动通信技术股份有限公司、上海诺基亚贝尔股份有限公司、维沃移动通信有限公司、OPPO广东移动通信有限公司 前言 面向2030年的6G网络将是通信、感知、计算、AI、安全、大数据一体融合的新一代移动信息网络，多维能力的一体融合将成为6G发展的重要趋势。通信感知一体化作为6G关键技术之一，将赋能网络从传递信息到感知世界扩展，推动社会走向虚拟与现实相结合的数字孪生世界，实现6G美好愿景。在未来，依托规模部署的移动通信网络构建高性能通感网络，可实现“一网两用”，即利用移动通信网络广覆盖、大连接的优势，在提供通信服务的同时实现全域、低成本高精度的感知，助力6G孕育全新应用场景和生态环境。作为“一网两用”的实现方式之一，通信感知一体化在低空经济、智慧交通、智能制造等领域有广泛应用前景，将带来巨大的经济效益和社会效益。 网络协作通感一体化是通信感知一体化的重要技术方向，其技术理念是以“网”为根基，通过多节点智能协作，以网强感，构建全域、全天候、高性能通感算智融合网络，为系统提供多维感知与连接能力，助力万物智联，支撑数字孪生、环境重构等新场景与新业务，推动垂直应用升级。 本白皮书首先分析了通信感知一体化的驱动力与应用场景，其次给出了通感融合的工作模式，然后分析了网络协作通感的挑战与关键技术，给出了高低频网络协作通感原型验证测试，最后对网络协作通感的未来发展趋势进行了展望。 本白皮书版权受法律保护，任何单位和个人转载、摘编、引用或其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明来源。 目录 1.驱动力1 2.应用场景3 3.工作模式4 4.技术挑战5 5.关键技术8 5.1通感一体化系统模型8 5.1.1资源分配模型8 5.1.2干扰控制模型9 5.2协作节点高精度同步10 5.2.1时间同步10 5.2.2频率同步11 5.2.3相位噪声12 5.3多节点协作机制13 5.3.1协作通感多源信息融合14 5.3.2协作通感信号序列设计15 5.3.3协作波束管理16 5.4高精度感知算法17 5.4.1经典感知算法17 5.4.2超分辨感知算法18 5.4.3NLOS环境下的感知算法18 5.5组网干扰管理19 5.5.1干扰控制条件20 5.5.2干扰特性分析20 5.5.3干扰控制方案21 6.原型验证22 6.1低频网络协作通感原型验证22 6.2高频网络协作通感原型验证22 7.总结与展望23 缩略语列表25 参考文献27 1.驱动力 从1G到5G，传统移动通信网络不断发展，通信能力不断增强。5G已经能够支持三大应用场景——增强型移动宽带（eMBB）、超大规模机器类通信 （mMTC）以及低时延高可靠通信（URLLC）。6G新场景、新业务如元宇宙、沉浸式扩展现实（XR）、全息通信、超能交通、工业物联网（IIoT）等，驱动传统通信网络向新一代移动信息网络加速转型。国际电联（ITU）在2023年6月发布了《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》[1]（以下简称建议书），定义了6G的六大典型应用场景，分别为沉浸式通信、超大规模连接、极高可靠低时延、感知与通信融合、AI与通信融合、泛在连接。其中，前三个场景为5G三大场景的增强，后三个场景为新场景拓展。为了满足不同场景下，通信、感知等能力的极致需求，6G移动信息网络的性能指标体系将比5G更加全面。根据建议书，6G的指标可以分为两种，即九大原有指标的量级提升和六大新指标的多维拓展。其中，原有指标包括峰值速率、用户体验速率、频谱效率、区域流量密度、连接数密度、移动性、时延、可靠性、安全隐私弹性；新指标包括覆盖、感知相关指标、AI相关指标、可持续性、互操作性、定位精度。这些指标不是对单点技术的要求，而是对网络端到端的系统要求，并且可以总结为三类，即网络能力、网络效率和网络质量。这三类指标相互制约、相互联系，寻求三角均衡的最优解是实现6G网络整体最优性能的关键。 (a)6G六大典型用例(b)6G十五大性能指标图1IMT-20306G框架 在6G新场景和新指标体系中，通信和感知融合被认为是6G移动信息网络的重要技术特征，是实现信息服务全过程的重要环节。从业务需求来看，新场景、新业务例如低空经济、智慧交通、智慧工厂等要求网络提供泛在的高精度感知能力。从技术驱动来看，随着更高频段、更大带宽、超大规模天线技术的发展，通信与感知的可用频带重合、天线结构相似、数字信号处理模块相似，为通感融合提供技术可行性。4G、5G时代已有感知的初步尝试，例如面向在网终端的定位功能。面向6G，通感融合将进一步拓宽感知范围、业务范畴以及感知精度，实现从面向在网终端到非在网终端，从传统定位到识别、成像等新业务，从米级感知精度到亚米级感知精度的跃迁。 为满足全时空、全场景通信能力、感知能力的一体服务，通信感知一体化呈现出三大核心特征，即多要素共享、多频段协同、多节点协作[2]。 （1）多要素共享 通信和感知可以共享无线射频资源、数字处理资源和信号处理过程。通过共享频谱、天线等射频资源，通信和感知能力能够集成于同一套无线设备。通过共享通用CPU、加速器、GPU，以及未来存算一体芯片等异构计算资源，能够在一个计算资源池中加载不同软件，来实现通信服务、感知服务。通过共享空口协议、信号处理等，通感可以互相支持，共同提升性能。 （2）多频段协同 为实现全场景的通信和感知服务，6G将是一个低、中、高多频段协同的全频谱系统。低频段深度覆盖，满足Mbps级基本通信需要，同时未来可以利用广域无源物联技术来实现对有标签设备的感知；中频段（Sub-10GHz频段）主要用于连续覆盖、中高速通信（Gbps），以及粗颗粒度（米级）、广域范围的信息探测；高频（毫米波、太赫兹、可见光等频段）按需开启，进一步提升通信速率和感知分辨率（亚米级）。将多频段有机协同起来，可满足不同的通信和感知需求，支撑个性化业务。 （3）多节点协作 依托网络的优势，采用多节点智能协作即网络协作通感技术，可以在提升边缘用户体验的同时，实现探测目标的高精度感知。在利用多节点进行感知信号的接收和发送过程中，避免了单节点感知中的自干扰问题，降低对硬件自干扰删除 能力的要求，节约成本。此外，多节点感知信息可以联合处理，达到提升感知精度、扩大感知范围、增强感知连续性的效果，满足目标捕获和跟踪需求。 2.应用场景 移动通信从传统通信功能到感知功能的拓展，是支撑千行百业数字化转型、实现6G新业务蓬勃发展的重要环节。通过“一网两用”，可充分利用移动通信网络规模和性能优势，低成本赋能网络泛在感知能力，提供更多优质服务以满足不同场景的需求[3-5]。如图2所示。在智享生活方面，通感一体化可以服务智能家居（如家居控制、安防监控、行为监测等）、医疗健康（如呼吸及心率监测、太赫兹成像、光谱检查等）以及文化娱乐（如XR等）。在智赋生产方面，通感一体化可以推动智慧工厂、无人机以及车联网等产业的升级。在智焕社会方面，通感一体化可以助力环境监测（如降雨量/大气湿度测量、污染气体检测、空气质量监测等）、公共安全（如安检、电子围栏等）以及城市管理等。 图2网络协作通感应用场景 典型应用场景的特点如下： （1）低空经济：低空经济前景广阔、快速发展，无人机已逐步进入大众生活，可以被应用于物流配送、农业灌溉、应急救灾等。低空飞行亟需泛在的高精度感知能力破解安全监管难题。目前，深圳已经开放部分空域用于无人机飞行，提供快递外卖等服务。无人机市场需求大，但产业链和政策法规仍处于持续完善 阶段，利用网络协作通感一体化系统可以对未经允许飞入空域的无人机进行检测 或对无人机的飞行路径进行管制，助力无人机低空经济的规模发展。 （2）智慧交通：通感一体化在车联网、自动驾驶、车流量监测等多方面发挥着重要作用。对于自动驾驶而言，由于其他车辆遮挡导致车载雷达存在盲区，通过协作通感节点获得“上帝视角”，为车辆提供更大的感知范围。交通路口的车流量同样可以通过网络中的节点进行感知监测，并对路口的交通指挥进行实时自适应动态调整。同时，利用感知信息，车联网系统可以更快速便捷地对车辆进行调度。在该场景下，通感一体化系统需要具备较强的目标分辨能力，即较高的角度、距离、速度分辨率。 （3）智慧工厂：在新型智慧工厂中，引入通感系统可以有效地获取非在网物品或设备的状态信息，实现全流程自动化生产操作。例如，通感系统可以识别出生产中存在缺陷的次品，并向联网的机器人发出行进与操作指示进行次品筛除，免去人工参与，提高生产操作效率。在该场景下，通感系统需要具备亚米级的定位能力，而在一些特殊的设备操作状态以及微小物品识别场景下，对感知精度的要求会更高。 3.工作模式 通信感知一体化的工作模式可分为独立感知与网络协作感知两种，如图3所示。独立感知是指由单个基站进行感知，即单个基站发送感知信号到达目标，进而接收和处理目标反射后的感知回波信号，执行感知测量和估计。协作感知是指使用移动通信网络中大规模部署的节点进行协作与交互，一个发射节点复用通信参考信号作为感知信号并将其发射至覆盖区域内时，目标会将感知信号反射到多个方向。此时，附近多个接收节点可以在不同位置上接收同一目标的反射信号，在对各个接收信号进行数据融合处理后，可以实现类似于通信中空间分集的接收处理增益，提升感知精度。 图3通感一体化的工作模式 与独立感知相比，网络协作感知具有如下技术优势： （1）低成本实现全域覆盖。通过“一网两用”，充分利用网络中密集分布的大量节点，可实现感知功能的全域覆盖。由于发射与接收节点距离远，因此系统不受自干扰的影响，避免了额外增加感知接收机、改造硬件射频链路等复杂的工程实现问题。通过升级软件即可实现感知功能，有效降低实现成本与复杂度，提升网络效率； （2）智能协作，感知精度高。网络协作感知中的多节点可以从不同的方向获得目标距离、多普勒相关的信息，获得空间分集增益，提升感知精度，进而提升网络能力； （3）干扰协调，干扰程度低。无论是自发自收还是A发B收的工作模式，都不可避免地面临互干扰问题，影响感知信号的提取与处理。在网络协作通感系统中，可通过调度部分节点作为协作接收节点，达到提升感知精度和提升网络质量的双重效果。 4.技术挑战 通感融合是6G的核心需求，但由于通信与感知源于两套完全不同的技术体系，两者实现目标、评价准则、性能边界均不相同，导致依托一张网实现通信与感知融合的挑战大、难度高。作为6G移动信息网络的重要技术特征，通感融合的难度在于解决网络效率与通感能力、网络质量之间的三角冲突，实现全局最优 的系统性创新，如图4所示。 图4通感能力、网络效率、网络质量三角冲突示意图 通信和感知的资源共享程度可以分为高共享度、适中共享度和低共享度三个等级。在高共享度下，软硬件共享、信号全域共享，感知精度和覆盖能力不足，网络效率高、网络质量不足；在低共享度下，软硬设施不同、资源完全分立，通信能力、感知能力优异，网络效率低、网络质量良好。而在合理适中的共享度下，软硬件共享，信号在部分域分立，通感能力、网络效率、网络质量达到平衡。如何最优化通感资源共享策略，在保证网络质量的前提下实现通感整体性能最优，是通感一体化面临的技术挑战。此外，为推动网络协作通感从理论走向应用，还需要持续攻关基础理论、同步、多节点协作、干扰等关键挑战。 （1）挑战1：通感性能折中理论亟待突破 通信和感知源于不同的技术体系，两者设计理念及性能评价体系存在差异。通感融合网络面临着资源配置灵活性、实时性要求高、有限资源下整体性能最优的挑战。如何在资源强约束下，设计灵活自适应的多维资源分配方法，实现通感整体性能最优，是亟待解决的问题，需要进一步研究资源强约束下的通感性能理论界推导、多维自适应通感资源分配技术、高效率高精度网络多节点协作技术、低复杂度多目标最优资源分配与检测技术[6-10]等。 此外，信道建