2023年6G通感融合系统设计研究报告

北京稻壳科技有限公司 BeijingRiceHullTechnologyCo.,Ltd.地址：北京市朝阳区九住路188号 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 2023年10月 版权声明CopyrightNotification 未经书面许可禁止打印、复制及通过任何媒体传播 ©2023IMT-2030（6G）推进组版权所有 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 目录 1引言6 2通感融合系统设计的范围与目标6 3通感融合系统设计相关标准组织进展7 3.13GPP8 3.2ITU8 3.3IEEE9 3.4IMT-2020推进组和IMT-2030推进组10 3.5NextGAlliance11 3.6Hexa-X12 3.7IETF12 4通感融合系统设计的关键性能指标13 4.1潜在的感知关键性能指标13 4.2潜在的计算关键性能指标14 5通感融合的应用场景15 5.1通感融合应用场景16 5.1.1应用案例1：高精度定位与追踪16 5.1.2应用案例2：同步成像、制图与定位17 5.1.3应用案例3：人类感官增强17 5.1.4应用案例4：手势及动作识别18 5.1.5应用案例5：无人机飞行路径管理19 5.1.6应用案例6：无人机监管20 5.1.7应用案例7：智能工厂20 5.1.8应用案例8：环境降雨监测21 5.1.9应用案例9：智慧电网安全监测和预警22 5.1.10应用案例10：发送端波束配置24 5.1.11应用案例11：UE感知数据处理的算力辅助25 5.2小结26 6通感融合系统设计的关键技术问题27 6.1感知信息的分级定义27 6.2感知任务参与节点的选择28 6.3感知功能逻辑归属问题29 6.46G网络内的感知服务质量参数的使用与映射29 6.5通感安全隐私问题30 6.6更高性能的终端计算服务31 6.7通感算节点的协作32 7通感融合系统设计潜在的技术方案33 7.1通感融合端到端的功能阐述33 7.2计算节点辅助的感知测量量处理35 7.3感知信息的分级定义方案36 7.4感知节点选择方案37 7.56G网络内各功能间的感知服务质量参数定义方案38 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 7.6通感安全隐私方案39 7.7对于传统非3GPP感知设备的控制40 7.8基于5G演进的通感融合系统功能和接口分析40 7.8.1感知功能逻辑上属于核心网41 7.8.2感知功能逻辑上属于接入网41 7.9感知结果开放43 7.10感知基本流程45 7.11通算融合方案47 7.12通感算节点协作方案49 7.12.1通感协作49 7.12.2通算协作50 7.12.3感算协作50 8总结和展望51 术语定义53 缩略语简表54 参考资料56 贡献单位58 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 图目录 图2-1通信感知融合系统功能框架7 图5-1通信和感知融合共赢15 图7-1通感融合系统网络架构示意图34 图7-2通感算融合控制的3种方式35 图7-3感知节点的选择方案38 图7-4基于核心网感知的网络架构41 图7-5SF逻辑上属于基站42 图7-6SF逻辑上属于基站外的节点或实体42 图7-7感知基本流程图45 图7-8通算融合示意图47 图7-9计算信息收集流程示意图49 图7-10计算服务流程示意图49 表目录 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 表4-1感知服务体验相关能力的定义13 表4-2计算服务的性能指标15 表5-1人类感官增强的性能指标25 表5-2智慧电网安全的性能指标26 表 5- 3 发送端波束配置的性能指标25 表 5- 4 计算服务的性能指标26 表 6- 1 典型的无线感知用例与应用场景29 表 7- 1 不同层次的感知信息36 表 7- 2 感知信息描述字段43 表 7- 3 感知请求描述字段44 1引言 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 更先进的下一代移动通信系统6G将提供超越通信的多维服务，构建自由连接的物理与数字融合世界。6G网络服务将以人为中心向智能体为中心扩展，从物理世界向虚拟世界延伸，实现通信、感知和计算等多维服务和功能的融合。在传统通信网络中引入感知能力，一套系统可以满足多种需求，通信和感知的融合成为6G潜在的技术趋势。未来6G系统的频段更高（例如毫米波和太赫兹）、带宽更大、大规模天线阵列分布更密集，因此通过UE（UserEquipment，终端）或BS（BaseStation，基站）发送的无线电波的传输、反射和散射等能力可以更好地感知物理世界，提供高性能的感知服务。同时，6G感知提供的高精度定位、成像和环境重构等能力有助于更精确地掌握信道信息，可用于提高波束赋型准确性或降低信道状态跟踪开销等，从而提升了通信性能。进一步考虑当6G引入计算能力时，感知数据处理将不受限于各节点的本地计算能力，有助于借助先进算法进行特征抽取，达到更好的感知性能。 本报告围绕6G通感融合系统设计对6G网络架构和功能的影响等方面进行了分析，探讨通感融合系统设计的范围与目标、应用场景需求、关键性能指标、关键技术问题和通感融合系统架构。本报告旨在触发支持通感融合的6G网络架构探索，对未来的6G研究工作提供思路和起到一定的借鉴作用。 2通感融合系统设计的范围与目标 从感知的实现方式上可以将感知分为射频感知和非射频感知，雷达作为典型的射频感知方式已经得到了广泛的应用。无线通信信号在传播过程中受到周围环境的影响，会引起信号幅度、相位等特征的变化，接收端通过无线信号处理不仅能够得到发送端的通信信息，还能够提取出反映传播环境特征的感知信息[1]。因此，通过无线通信设备（如BS、UE）对目标物体、事件或环境进行感知也是射频感知方式之一。非射频感知即利用各式各样的传感器采集环境信息从而得到感知结果，典型的方式包括基于摄像头采集的图像或视频信息，或者通过其他特定传感器获取的特定感知信息，例如温度传感器、气压计、加速度计、陀螺仪等。本研究报告侧重基于6G的感知，旨在从资源和功能层面支持通过无线通信设备（例如终端/基站）对目标物体、事件或环境的感知。考虑一些用例还可能包括非终端/基站的传感器（例如雷达、摄像头等），因此本报告不仅包括基于终端/基站收发信号进行感知，也考虑综合利用包括雷达、摄像头等不同类型感知设备的感知数据。从而，6G系统可以提供更加丰富和更加精准的感知服 6 务和应用。 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 考虑部分情况下需采用高复杂度算法进行感知数据处理，例如MUSIC（MultipleSignalClassification，多重信号分类）算法、AI（ArtificialIntelligence，人工智能）模型等。然而，6G核心网的网络功能、基站和终端等单个节点处理能力有限。因此，当6G引入计算能力后，本报告也包括感知和计算的协作。 图2-1通信感知融合系统功能框架 6G通感融合系统设计的研究目标是通过端到端通感融合系统功能设计实现通信感知多维度业务创新。6G系统通过合理设置网络功能和高效组织，提升网络性能、提高网络资源效率和改善用户体验[2]。具体研究内容包括通感算融合相关标准组织进展，感知和计算的关键性能指标，通感融合应用场景和需求分析，通感融合系统设计的关键技术问题梳理，以及潜在技术方案探讨。 3通感融合系统设计相关标准组织进展 本章介绍全球多个标准化组织和研究机构关于通感融合研究的进展，包括3GPP （3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划）、ITU （InternationalTelecommunicationUnion，国际电信联盟）、IEEE（Instituteof 7 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup ElectricalandElectronicsEngineers，电气与电子工程师协会）、IMT-2020（5G）推进组、IMT-2030（6G）推进组、NextGAlliance、Hexa-X、和IETF（InternetEngineeringTaskForce，互联网工程任务组）。上述标准化组织在通感融合的场景用例、技术挑战和技术趋势等方面开展了研究。 3.13GPP 3GPPSA1FeasibilityStudyonIntegratedSensingandCommunication对通感融合的可行性研究侧重于基于NR（NewRadio，新空口）的感知[3]，某些用例可能会利用EPC和E-UTRA中已有的信息（例如蜂窝/UE测量、位置更新），一些用例还可能包括非3GPP类型的传感器（例如雷达、摄像头）。目前研究报告中包括32个用例，如住宅入侵检测、高速公路和铁路入侵检测、降雨监测、非3GPP传感器透明感知、睡眠监测、手势识别、旅游景点交通管理、工厂自主移动机器人冲突避免、无缝XR （ExtendedReality扩展现实）流、无人机入侵检测、无人机轨迹跟踪、无人机冲突避免等。从感知结果潜在的KPI（KeyPerformanceIndicator，关键性能指标）角度来看，SA1通感研究项目将上述用例的场景分为目标检测与追踪、环境监测和运动检测三类。进一步地，该研究报告提出了KPI表格，包括定位精度、速度精度、感知分别率、最大感知服务时延、刷新率、虚警概率和漏检概率。其中，并不是每一个用例都涉及前述所有KPI，通常一个用例仅涉及其中的一部分。另外，该研究报告还考虑了感知的机密性、完整性、隐私、监管等方面内容。 目前3GPPSA2和RAN（RadioAccessNetwork，无线接入网）也在讨论潜在的感知立项，潜在的内容可能包括架构增强支持感知，感知服务管理流程，感知服务质量管理，感知安全隐私，感知计费，通感信道模型，感知模式，以及感知信号、测量和控制等对协议影响等。 3.2ITU 2023年6月ITU-R完成了《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》[5]，提出了6G的典型场景及能力指标体系。在典型场景方面，5G三大场景增强为沉浸式通信、超大规模连接和极高可靠低时延，6G在5G三大场景基础上进行了增强和扩展，包含沉浸式通信、超大规模连接、极高可靠低时延、人工智能与通信的融合、感 8 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 知与通信的融合、泛在连接等6G六大场景。 感知与通信的融合指利用IMT-2030提供的广域多维感知，为未连接的物体和连接设备提供运动和周围环境的信息。典型的用例包括IMT-2030辅助导航、活动检测和运动跟踪（例如姿势/手势识别，跌倒检测，车辆/行人检测）、环境监测（例如雨水/污染检测）以及为AI、XR和数字孪生应用提供对周围环境的感知数据/信息。除了提供通信能力外，这些使用场景还需要支持高精度定位和感知相关能力，包括距离/速度/角度估计、目标检测、存在检测、位置、成像和制图等。 ITU技术趋势报告[6]将通信和感知系统之间的交互级别分为：（1）共存，其中感知和通信系统在物理上分离的硬件上运行，使用相同或不同的频谱资源并且不共享任何信息，彼此视为干扰；（2）合作，其中感知和通信系统在物理上分离的硬件上运行，而信息可以相互共享（例如，感知/通信的先验知识可以共享，减少系统之间的干扰或在某些情况下增强另一个系统）；（3）集成设计，其中两个系统被设计为一个单一系统，在频谱使用、硬件、无线资源管理、空中接口以及信号传输和处理等方面具有信息共享和联合设计。通感融合系统在未来