6G感知的需求和应用场景研究

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 前言 随着6G技术研究的深入开展，无线通信技术在新的业务和需求的引导下，将联合新技术和新功能，引领万物智联的新浪潮。目前，全球6G愿景需求的达成标志着6G标准化的正式启航，为6G技术指标与评估准备阶段奠定基础。感知作为6G移动通信系统关键的新能力之一，将极大的丰富网络可提供的业务范围，搭建物理世界与数字世界的桥梁。 通信感知一体化技术作为6G的新能力之一，赋予了6G内生感知的能力，是6G感知的最重要的一环。但6G和感知的关联不止于此，其他感知技术如雷达、摄像头、传感器、蓝牙、Wi-Fi等也经历了多年的发展，通信感知一体化技术与这些感知技术在6G中协同互助，将极大的丰富6G感知的服务范围，并提供更精确的感知结果。 在IMT-2030（6G）推进组的统一安排下，需求工作组结合无线技术工作组通信感知一体化任务组发布的《通信感知一体化技术研究报告（第二版）》中涉及的感知应用场景，对其指标进行了分析，并进一步丰富了感知的应用场景。本研究报告从感知技术的原理、研究现状和发展趋势出发，针对6G感知的应用场景和需求进行深入研究，总结了6G感知业务的需求和感知对6G系统的需求，为下一阶段6G感知及通感一体化技术的研究及相关标准制定提供参考。 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 目录 第一章研究背景及发展现状1 1.1感知技术的介绍1 1.1.1通信感知一体化技术2 1.1.2其他感知技术2 1.1.3多模态感知3 1.2感知技术的研究现状和应用3 1.2.1通信感知一体化技术3 1.2.2其他感知技术5 1.2.3多模态感知6 1.3感知技术的发展趋势7 第二章6G感知的应用场景和需求10 2.1交通领域10 2.1.1应用场景一：车联网10 2.1.2应用场景二：无人机14 2.2工业领域18 2.2.1应用场景一：园区管理18 2.2.2应用场景二：车间内生产环节20 2.2.3应用场景三：产品质检22 2.3农业领域23 2.3.1应用场景一：智慧大棚23 2.3.2应用场景二：智慧放牧26 2.3.3应用场景三：智慧水产养殖28 2.4仓储物流领域29 2.4.1应用场景一：货物输送29 2.4.2应用场景二：货物分拣31 2.4.3应用场景三：货物搬运33 2.4.4应用场景四：货物堆垛34 2.4.5应用场景五：仓储管理35 2.5医疗和健康领域36 2.5.1应用场景一：生命体征监测36 2.5.2应用场景二：疾病监测与诊断38 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 2.5.3应用场景三：疾病康复训练40 2.6娱乐领域42 2.6.1应用场景一：智能交互娱乐42 2.6.2应用场景二：虚拟环境构建43 2.7社会服务领域45 2.7.1应用场景一：公共安防45 2.7.2应用场景二：客流统计47 2.7.3应用场景三：生态环保48 2.8智慧家庭领域50 2.8.1应用场景一：实时室内环境重构50 2.8.2应用场景二：入侵检测52 2.8.3应用场景三：人机交互55 第三章6G感知业务的需求57 3.1存在检测业务需求57 3.2定位业务需求57 3.3测速业务需求58 3.4成像业务需求59 3.5识别业务需求60 3.6监测业务需求60 第四章感知对6G系统的总体需求62 4.1对6G网络的需求63 4.2对6G终端的需求66 第五章6G感知面临的挑战68 总结和展望70 参考文献72 贡献单位73 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 图目录 图1-1通信感知一体化范畴[2]2 图1-26G感知解决方案概览8 图1-3通信感知一体化技术的发展趋势8 图1-4媒介知识辅助通信9 图2-1障碍视觉辅助示意图11 图2-2目标车辆获取周围高精地图示意图12 图2-3无人机避障和路径管理示意图15 图2-4无人机非法入侵机场16 图2-5移动通信网络感知示意图16 图2-6智慧大棚实现示意图24 图2-7智慧放牧实现示意图26 图2-8环境监测的实现示意图49 图2-9一种利用终端自发自收链路执行入侵检测的示意图53 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 表目录 表1-1IMT2020（5G）推进组发布的通信感知一体化研究报告系列4 表3-1存在检测业务指标总结57 表3-2定位业务指标总结58 表3-3测速业务指标总结58 表3-4成像业务指标总结59 表3-5识别业务指标总结60 表3-6监测业务指标总结60 表4-16G无线感知典型指标62 表4-2非无线感知指标63 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 第一章研究背景及发展现状 1.1感知技术的介绍 感知是人类与物理世界交互不可或缺的重要组成部分。一方面，随着物联网技术、计算机技术、信息通信技术的发展，机器逐渐被赋予智能化的感知能力。基于雷达、传感器、摄像头、Wi-Fi、蓝牙、超声波等设备的感知技术目前已在工业、农业、娱乐、医疗、教育等领域发挥重要作用。这些感知技术在特定应用场景具有各自的优势，但也存在一定的不足。另一方面，随着移动通信技术的发展，无线系统会向更高频率（如毫米波、太赫兹等）演进，且有大量可用频谱，通信系统将具备与感知系统相似的能力，利用广泛覆盖的移动通信信号实现通信感知一体化，成为有效地节约成本，促进通信与感知的互利互惠有效途径。在未来6G时代，通信感知一体化技术将依托太赫兹、甚至可见光等新频段，以及空天地一体化、内生AI等新技术，赋予6G系统内生的感知能力。此外，以通信感知一体化技术为核心，且集成上述其他感知技术的多模态感知将极大的增强6G系统的感知能力，扩展6G感知的业务范围，提升6G感知的性能，助力不同领域感知技术发展。 感知的分类方式有多种： 1）从感知原理的角度来讲，可以分为非射频感知和射频感知两个维度[1]。 射频感知：发送射频信号，然后通过接收和处理反射信号来了解环境，主要包括雷达感知、Wi-Fi感知和蓝牙感知等。 非射频感知：通过从周边（如相机）获取的信号、图片和视频等来了解环境，主要包括接触式传感器感知、光感知和声波感知。 2）从感知方式的角度来讲，可以分为主动式/被动式与交互式/非交互式两个维度 [2]。 被动感知：感知者（网络侧或终端）通过获取目标对象发射的电磁波（如太赫兹波）或反射来自感知者和目标对象之外的电磁波进行感知，比如射电天文中国的无源成像类感知技术。 主动感知：感知者（网络侧或终端）发送电磁波，经过目标对象反射后，感知者接收回波进行感知，比如发射探测信号的雷达类感知技术。其中接收反射波的节点不一定就是发送探测信号的节点，即感知方的多个节点之间可以通过某种形式的联合处理实现主动感知。 交互感知：感知者（网络侧或终端）与目标对象（网络侧或终端）之间通过信息交互，对电磁波发送的主体、时间、频率、格式等内容进行约定（含实时通过握手交 1 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 互方式约定，以及通过标准规范等方式的事先约定），感知者对接收到的电磁波进行感知，比如现有通信系统实现定位的方式可以认为是交互感知。 非交互感知：感知者（网络侧或终端）与目标对象之间不进行信息交互。 1.1.1通信感知一体化技术 在6G移动通信系统中，感知将不只是通信网络的优化或辅助工具，而是6G网络中的内生能力，被认为是实现6G网络内生智能的数据入口，与通信能力互助共生，并为6G开辟新的应用前景。通感一体化技术将利用无线信号实现对目标的检测、定位、成像、识别等感知功能，获取周围物理环境信息，挖掘通信能力，增强用户体验。通过内生的一体化频谱资源共享、硬件架构设计、空口设计、多点协作和信息的全方位交互，能在实现通信和感知能力的同时实现绿色节能，提升频谱效率，高精度感知和全网的性能提升。一方面，通信系统可以利用相同的频谱甚至复用硬件或信号处理模块完成不同类型的感知服务。另一方面，感知结果可用于辅助通信接入或管理，提高服务质量和通信效率。面向2030年的信息社会，通信感知一体化技术将成为6G系统中的基础性核心技术，为6G创造千万价值应用，实现万物感知、万物互联、万物智能的新时代。 图1-1通信感知一体化范畴[2] 1.1.2其他感知技术 其他感知技术主要包括应用于中远距离感知的雷达、传感器、摄像头和声波/超声波等感知技术，以及应用于近距离感知的Wi-Fi、蓝牙和UWB等感知技术。 在中远距离感知技术中，雷达感知是通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。传感器感知是通过敏感元件及转换元件把特定的被测信号按一定规律转换成某种可用信号的实现数据采集。摄像头感知是利用是光谱感知技术实现感知成像，通过接收目标辐射和反射的可见光来获取目标相关信息。声波/超声波感知是利用声波/超声波对目标进行照射并接收其回波，依据不同材质目标对声波/超声波反射特性不同而对 2 目标进行识别。 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 在近距离感知技术，Wi-Fi感知利用Wi-Fi信号传播过程中发生的反射、折射、散射等现象，通过分析在接收端的多径叠加信号，实现对Wi-Fi感知范围内目标信息以及环境信息的感知。蓝牙感知是通过在接收端获取的信号强度，估算发送端和接收端距离，实现对目标位置信息的感知。UWB感知是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来实现感知，主要用于定位和成像业务。 1.1.3多模态感知 随着传感器和计算机技术的发展，大量不同模态的感知信息经过数据提取、分类和信息融合，从而协作或辅助完成某一个业务需求。多模态感知是指通过多种感知制式以不同的方法或视角来进行信息的采集。广义上来讲，多模态感知不仅包含描述同一对象的多传感器感知，如无人机追踪时用到多个不同采样周期的雷达传感器进行观测定位；也包含文本、声音、图像、视频等不同模态信息的协同感知，如车联网场景的定位、监控等应用需要联合车载摄像头、车载雷达、无线感知等不同制式的感知信息共同完成[3]。 多模态感知作为未来感知技术的重要演进方向，融合多种感知数据，主要涉及移动通信信号、雷达、传感器、摄像头、Wi-Fi、超声波、蓝牙、RFID等。利用不同感知技术的特点和各自独特的优势，结合数据融合技术，可以使得检测、定位、识别、估计等性能更加准确、安全，从而提高整体系统的性能，满足不同应用场景的需求。相较于单一的感知技术，多模态感知技术有以下优势： 1）识别精确度更高。多模态感知技术并非单一数据特征的简单叠加，而是通过设计高效的融合算法，实现无线信号、图像等数据特征的结合，可以实现信息互补，进一步提高识别的精确。 2）应用范围更广。单一的感知技术往往存在一定的功能局限性，只适用于部分特定场景，而多模态感知能够较大程度上补齐单一感知技术存在的应用缺陷，扩大感知的应用场景。 1.2感知技术的研究现状和应用 1.2.1通信感知一体化技术 早在通信感知一体化概念提出以前，蜂窝移动通信网络已经具备基础的感知定位能力。在4G时代，网络的定位技术主要包括E-CID、DL-TDOA、