通信感知一体化，从理论走向标准

CommunicationsofHUAWEIRESEARCH 内部资料免费交流 准印证号：（粤B）L0230030 2023年10月 第2期（总第5期） 6G通信感知一体化技术性能需求与评估方法第1页 6G通信感知一体化——感知辅助的环境重构与信道重构第44页 网络协作通信感知一体化系统干扰特性分析第81页面向垂直行业和医疗应用的通信感知一体化第123页BalongModem演进思考第160页 编者按 通信与感知一体化是6G的技术创新。感知是无线电传输科学的基本效应，通过数字接收机可以探测物理环境中的无线电波传播特征，通过先进的信号处理算法可以实现对移动终端的更高精度定位，进而重构出物理世界的场境。这就是使用感知数据来实时构建现实世界的数字孪生。 对于6G，由于厘米波、毫米波、亚太赫兹波的无线电波长度较小，具有更高的频率和更大的频谱带宽优势，我们可以重构出高精度、高分辨率的数字世界，甚至可以探测材料的性质。这些独有的新能力，让6G真正达到“超越连接”的境地。 两类崭新的6G使能技术使得无线感知将在6G释放更大的价值。其一是感知和通信的原生集成，无需额外的频谱和网络投资，每个移动终端、每个基站都能开启6G感知功能，并通过单基（Monostatic）和双基 （Bistatic）两种方式进行协作感知，可以精准地重构实时的现实世界，使智能通信成为可能，这将大幅提高无线传输的可靠性和网络容量。其二是将感知和机器学习结合起来，让6G的感知数据作为训练数据集，如此，机器学习——特别是基于大模型的AI——可以不断地学习、适应现实世界，为每个用户、每个场景提供定制化的AI服务。 因此，6G感知将作为数据驱动的智能服务和应用的引擎，即使6G网络仅有1%的容量被分配用于感知，所有移动终端每天仍将产生奎塔字节级的超大感知数据量，全球基站每天感知的数据可达泽塔字节级别之巨。从机器学习的角度来看，6G感知数据将成为AI训练的主要数据源，并驱动生成型AI服务和交互型AI服务。 鉴于此，6G感知是物理世界和数字世界接口，是两个世界的连续体。6G感知数据是构建和提供AI服务的来源。6G感知将与AI服务和应用一起普及到每个终端、每个基站。 本期《华为研究》将专门介绍6GISAC的研究进展，华为6G研究团队和我们的学术界朋友们以及工业界伙伴们贡献了他们的最新成果，这些基础研究工作将为6GISAC技术的构建奠定基础。在此，我们对他们的突破性贡献表示衷心的感谢。 童文博士华为Fellow 朱佩英博士华为Fellow 华为研究 内部资料，免费交流 准印证号：（粤B）L0230030 主编： 廖恒 本期责任主编： 童文，朱佩英 编委会： 廖恒，童文，肖新华，胡邦红，周慧慧，鲍丰，JeffXu，陈海波，陆品燕， 张小俊，李瑞华，白博 索阅、投稿、建议和意见反馈，请联系：HWResearch@huawei.com 印刷数量：4000本 印刷单位：雅昌文化（集团）有限公司印刷地址：深圳市南山区深云路19号印刷日期：2023年10月20日 目录 ISAC标准化前瞻 6G通信感知一体化技术性能需求与评估方法01 ——ITU-R6G标准化的下一个里程碑 张云昊，张闽，陈雁，朱佩英 6G通信感知一体化新型混合信道建模11 陈燚，杨雯斐，余子明 通信感知一体化潜在重点空口关键技术浅析19 沈霞，江甲沫，徐晓燕 通信感知一体化：开启无线网络的又一扇门25 姜大洁，姚健，李健之，丁圣利，袁雁南，陈保龙，秦飞 WLAN感知标准化:IEEE802.11bf37 杜瑞，娜仁格日勒，唐竹青，狐梦实，张逸炎，辛岩，JunghoonSuh，OsamaAboulMagd，StephenMcCann，MichaelMontemurro，RojanChitrakar，黄磊，韩霄 ISAC环境感知 版权所有©2023 华为技术有限公司，保留一切权利。 6G通信感知一体化——感知辅助的44 环境重构与信道重构 周知，何佳，毕晓艳，余子明，陈燚，陈雁，王光健，马江镭，朱佩英 混合孔径环境重构技术及其应用49 罗嘉金，彭晓辉，于洋，张平，周保建，毕晓艳，陈雁，马江镭，朱佩英 通信感知一体化下的环境感知辅助通信 曾婷，张捷宝，龚秋莎 无线蜂窝网络中的环境感知：模型、架构与方法 童欣，郭康，邢子青，杨照辉，张朝阳 57ISAC应用与验证 66 通信感知一体化中基于单基感知73 的双基信道估计 NarcisCardona，杨雯斐，AlejandroCastilla，AlejandroLopez-Escudero，李剑 面向垂直行业和医疗应用的通信感知一体化 123 ISAC理论与算法 王光健，刘乔，臧军伟，何佳，余子明，葛士斌，张嘉男，万涛，李欧鹏，杜贤峰，刘瑶，崔建行，黄国龙，张军平，卢磊，陈雁 通信感知一体化在车联网领域的关键技术与应用 133 通信成像一体化：进展、挑战与展望 黄艺璇，杨杰，金石 87 未来智能物联网通信感知一体化探索155 常兆心，张扶桑，张大庆 高斯信道下通信感知一体化的 94 EliaFavarelli，ElisabettaMatricardi，LorenzoPucci， EnricoPaolini，许文，AndreaGiorgetti SWIPT通信感知一体化系统性能 刘勐，杨明磊，刘楠 116 林英沛，卢磊，ChanZhou，苏宏家，RichardStirling-Gallacher，葛士斌，齐鸿，QiWang 通信感知一体化系统的多目标检测与定位 142 杨琪，韩志强，蒋创新，娄俊鹏，刘娟 网络协作通信感知一体化系统干扰特性分析 81 面向网络协作的通信感知一体化软硬件验证平台 148 张小舟，韩林丛，韩子祥，马良，王亚娟，楼梦婷， 薛东升，冀可嘉，魏嘉辰，马丁友，张奇勋，冯志勇 金婧，王启星 信息理论极限 其他 刘凡，熊一枫，袁伟杰，崔原豪，韩霄 BalongModem演进思考 160 白欣，张志勇，刘江华 太赫兹通信感知一体化时频空信号设计 101 吴永知，韩充具备AI辅助跟踪的多基站协同感知 107 ISAC标准化前瞻 6G通信感知一体化技术性能需求与评估方法 ——ITU-R6G标准化的下一个里程碑 张云昊1，张闽2，陈雁3，朱佩英31无线技术实验室 2慕尼黑先进无线技术实验室 3渥太华先进无线技术实验室 摘要 通信感知一体化（简称“通感一体化”）的概念正日益受到学术界、工业界和标准化机构的关注，并被ITU-R正式纳入6G的六大使用场景。ITU-R6G标准化的下一个里程碑是确定包括通感一体化在内的六大使用场景的技术性能需求 （TechnicalPerformanceRequirement，TPR）和评估方法。本文首先介绍了ITU-R和3GPPTPR和评估方法的研究时间表。然后，我们探索了6G潜在的通感一体化用例，并讨论受这些用例驱动的感知服务需求，重点是感知功能和关键性能指标，这些指标触发了基于用例的测试环境的提议，用于感知相关的TPR评估。最后，我们讨论了针对每种感知测试场景的评估方法，并分别介绍了相应的系统级仿真流程和链路级仿真流程。 关键词 6G，感知，通感一体化，技术性能需求（TPR），评估方法 1引言 1.1IMT-2030的ITU-R框架 在未来的通信系统中，使用更高的频段（从厘米波、毫米波到太赫兹）、更宽的带宽和更密集的大规模天线阵列，使通信和感知能够一体化并相互增强[1]。一方面，整个通信系统可以作为传感器，探索无线信号的传输、反射和散射特征，以“理解”物理世界，并提供全新的用户体验，这种方式通常称为“网络作为传感器”。另一方面，通过无源感知实现的高精度定位、成像和环境重构，可提高通信性能，实现更准确的波束赋形、更快速的波束失效恢复以及用更少的信号开销跟踪信道状态信息，这种方式通常称为“感知辅助通信”。 从松散耦合到完全一体化，通信和感知的融合可以在不同的系统级别上实现，例如共享频谱、硬件、信号处理、协议栈，甚至跨模块或跨层的信息共享。与传统的独立感知相比，未来通感一体化的无线系统可复用通信基础设施，不仅大大降低了的部署成本，还可利用基站和用户设备的大规模可用性来提高感知性能。 随着ITU-R（国际电信联盟无线通信部门）IMT-2030 （2030年及以后的国际移动电信系统）框架建议于2023年6月完成[2]，通感一体化已正式成为第六代移动通信 （SixthGeneration，6G）的六大使用场景之一。如图1a所示（该图又称为“车轮图”），通感一体化的典型用例包括网络辅助导航、姿势/手势检测和移动目标追踪、环境监测以及为人工智能（ArtificialIntelligence，AI）、XR（扩展现实，包括增强和虚拟现实）和数字孪生应用提供周围环境的感知数据/信息。除了通信能力外，6G通感一体化还需要支持高精度定位和感知相关能力，包括在图1b的“调色板图”中。通感一体化潜在的能力指标包括距离/速度/角度估计、物体和存在检测、定位、成像和制图。 1.2技术性能需求和评估方法标准化时间表 ISAC6G标准化的下一步包括以下几个方面。虽然由不同的标准组织讨论，但这些方面将相互影响、相互增强： •ITU-R中的技术性能需求（TechnicalPerformance Requirement，TPR）和评估方法研究：这属于3GPP (a)IMT-2030“车轮图”(b)IMT-2030“调色板图” 图1IMT-2030(6G)的(a)使用场景和总体方面“车轮图”；(b)网络能力“调色板图”[2] 图2ITU-R与3GPP的6GTPR与评估方法标准化时间表 中的通感一体化用例和服务需求研究：3GPPSA1（系统架构子组1）R19的研究项目“通感一体化可行性研究”于2022年初启动。如最新研究报告TR22.837[3] 所述，已讨论确定了32个通感一体化用例，每个用例都包括业务流程、功能需求以及关键性能指标（KeyPerformanceIndicator，KPI）等详细信息。随着这一研究的不断深入，将进一步巩固SA1标准、实现标准化。此外，SA1R20也正在讨论潜在的通感一体化新用例。 •3GPP中的技术研究、标准制定和自评估：包括信道建模和评估方法在内的无线接入网（RadioAccessNetwork，RAN）需求评估，将首先在3GPPRAN层面讨论，然后在其工作组层面详细标准化RAN相关解决方案。解决方案可能包括感知波形的设计和选择、多节点之间联合感知和反馈的协作流程等方面。之后，根据ITU-R定义的测试环境，感知相关TPR的自评估将由3GPPRAN进行，然后结果会提交给ITU-R，以验证是否满足IMT-2030的通感一体化TPR。 2感知相关的技术性能需求研究 2.16G通感一体化评估的潜在用例 未来，融合了感知能力的无线通信系统预计将提供广域的、多维度的感知服务，不仅将提供连接设备（如手机）相关的时间-空间信息，还将提供环境中不发送或不接收任何无线信号的物体（如汽车、行人或建筑物）的时间-空间 信息。这些具有通感一体化功能的先进无线系统将支持各种创新应用[4]，如高精度定位、高分辨率成像、姿势/手势识别以及实时3D制图，这些应用将推动自动驾驶、智慧城市、工业自动化、数字健康和沉浸式XR等行业的快速发展。 虽然IMT-2030的通感一体化愿景是作为6G的一部分提出的[1]，但5G演进（正式名称为5GAdvanced）的标准讨论中也预见了其价值。6G可以提供更大的设计自由度和实现自由度，采用新型波形、帧结构、频谱和网络架构设计支持所有现有的以及未来更先进的通感一体化用例。 2.1.15GAdvanced研究的通感一体化用例及分析 从2022年初开始，3GPPSA1在R19中对通感一体化服务进行了可行性研究。该研究旨在识别通感一体化对3GPP系统的用例和要求，提高网络基础设施利用率，提供新颖的用户体验，并支持通感一体化在垂直行业的商业落地。相关的研究共确定了32个用例[3]