5G-Advanced通感融合空口技术方案研究报告

研究报告要点 通信与感知融合是ITU确认的未来通信技术重要演进方向之一，为通信网络提供新的基础能力，助力智慧低空、智慧交通、智慧生活、智慧网络等典型场景。通信感知空口技术研究是通感技术产业应用的重要前提。 本研究报告分析了5G-Advanced通感场景分别适用的感知模式。面对感知应用的差异化需求，本报告对无线接入网的通感协议架构进行了梳理，并归纳了六种基本感知模式和主要接口之间的映射关系，进一步地梳理了主要网络接口涉及的基本流程，然后，对物理层的关键技术（波形、帧结构、多天线、非理想因素等）进行分析并提出潜在解决方案。最后，展望通感融合空口技术后续研究方向。通过通感融合无线空口技术的研究，为通感融合技术标准化以及产业推进提供支持和参考。 IMT-2020(5G)推进组 5G-Advanced通感融合空口技术方案研究报告 目录 概述 通感融合场景感知模式需求通感融合无线架构与协议栈通感融合无线基本流程设计通感融合物理层关键技术其他通感融合技术 总结和展望参考文献附录 主要贡献单位 P1P4P6P8P26P71P77P78P81P84 IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。 概述 1.1通感业界进展和发展趋势 从第一代模拟通信到万物互联的第五代移动通信系统，移动通信不仅深刻地变革了人们的生活方式，更成为社会数字化和信息化水平加速提升的新引擎。中国5G网络建设快速推进，截至2023年11月末，5G基站总数达328.2万个，中国的5G建设已经从网络建设步入应用创新的新阶段。5G技术将进一步的和各种新技术深度融合，进一步地推动整个社会的数字化和智能化转型。 随着不断涌现的新业务、新需求，移动通信网络在提供越来越强大的通信能力的同时，也将扩展更多的基础能力来支持这些新业务、新需求。其中，感知能力就是其中一个重要的潜在方向。将通信和感知进行一体化设计，相比两个独立系统可带来降低成本，降低功耗、优化资源利用等优势。 通信感知融合通过信号联合设计和/或硬件共享等手段，实现通信、感知功能统一设计。其中通信感知融合中的感知可理解为一种基于移动通信系统的无线感知技术。移动通信系统通过对目标区域或物体发射无线信号，并对接收的无线信号进行分析得到相应的感知测量数据。此外，移动通信系统还可对其他感知技术（比如摄像头、雷达等）的感知测量数据进行汇聚和分析，联合提供感知服务。 在5G系统中，随着大带宽、毫米波、大规模MIMO技术的引入，5G系统已经拥有了感知潜力。但在目前的移动通信领域，通信感知融合还处于初期阶段。在5G-Advanced（以下简称5G-A）中探索增强感知功能，特别是对空口改动较小，网络能力适当增强的方案，有助于感知在5G网络进行应用。 2021年7月国内厂商在IMT-2020（5G）推进组联合成立通信感知融合任务组（简称5G通感任务组），致力于推动基于5G技术的通感应用场景及需求、网络架构、仿真评估方法、空口技术方案研究以及原型验证等工作。2022年7月底，IMT-2020（5G）推进组发布了《5G-Advanced通感融合场景需求研究报告》[1]，有助于增强业界对感知场景和需求的了解。首份包含5G通感网络架构设计的 《5G-Advanced通感融合网络架构研究报告》在2022年11月深圳举办的5G大会发布[2]。2023年6月发布 《5G-Advanced通感融合仿真评估方法研究报告》，汇聚了业界最新5G通感信道模型建模方法和仿真评估结果[3]。同时，5G通感任务组也在积极推进5G-A原型样机的试验验证工作。 2022年2月，国际标准组织3GPP的SA1立项研究课题《StudyonIntegratedSensingandCommunication》，标志着通感融合正式进入标准化阶段[4]。该课题已在2023年8月结项，对应的TS已于2023年12月完成。该研究课题会牵引3GPPRAN和SA2的R19通感立项工作。目前，3GPPRANR19已立项开展针对检测、跟踪类场景的通感信道建模研究工作，为后续方案评估和标准化提供研究基础。 1 2022年6月，CCSATC5WG9立项研究课题《5G通信感知融合系统研究》，基于3GPPSA1R19的应用场景，展开架构和空口技术的研究，并于2023年11月底结项。 本研究报告面向5G-A阶段通信感知融合，研究当前5G通信网络使能感知功能在无线空口设计的面临的关键问题，包括通感无线架构、感知基本流程、物理层感知信号设计、感知帧结构、感知资源分配、多天线技术、非理想因素抑制与消除等关键技术。研究成果一方面希望可进一步推动5G-A通感融合的标准化研究、原型样机的研发测试以及产业化进程，另一方面也希望为后续6G通感一体化无线空口设计提供重要参考。 1.2无线感知模式分类 根据《5G-Advanced通感融合场景需求研究报告》梳理[1]，根据参加感知的设备和感知收发是否是同一设备（基站gNB或终端UE）），无线空口涉及的基本感知模式存在6种形式，如图1-1所示。其中，感知网络功能对应IMT-2020（5G）推进组发布的研究报告《5G-Advanced通感融合网络架构研究报告》中的SF（SensingFunction）。 图1-1无线感知模式示意图 ●基站自发自收（或gNB自发自收）。基站发送感知信号，感知信号经过环境或环境中物体后， 基站接收测量反射/散射波。 ●基站A发B收（或gNBA发B收）。基站A发送感知信号，感知信号经过环境或环境中物体后，基站B接收测量反射/散射波。 ●终端发基站收（或UE发gNB收）。终端发送感知信号，感知信号经过环境或环境中物体后，基站接收测量反射/散射波。 ●基站发终端收（或gNB发UE收）。基站发送感知信号，感知信号经过被测物体反射后，终端接收测量反射/散射波。 ●终端自发自收（或UE自发自收）。终端发送感知信号，感知信号经过环境或环境中物体后，终端接收测量反射/散射波。 ●终端A发B收（或UEA发B收）。终端A发送感知信号，感知信号经过环境或环境中物体后，终端B接收测量反射/散射波。 接收测量反射/散射波设备对反射/散射波提取被测物体或环境特征，以获取针对感知目标或环境的测量数据。本研究报告梳理上述6种基本感知模式涉及的关键技术以及和核心网逻辑功能的接口。 需要明确的是，在实际的感知业务过程中，为完成对感知目标的感知，可能需要多个感知设备参与感知过程。比如：当SF触发感知过程时，SF通知三个感知设备参与感知，相应的每个感知设备参与的感知模式也可能相同、也可能不同；感知模式之间使用的感知资源，可是经过协议确保资源相互正交，称非共享资源方式，也可是配置相同的感知资源，称为共享资源方式。上述过程依赖于SF的配置。 当模式间的感知资源分配采用非共享资源方式，其感知的基本流程（第四章感知无线基本流程），是相互独立的过程，并独立地执行感知信号的发送和接收过程，同时SF或者gNB在配置上需要保证感知资源相互正交，以免产生不必要的干扰。 对于模式间的感知资源分配方式采用共享资源方式时，其感知的基本流程（第四章感知无线基本流程）可使用一个流程完成，使用一套测量配置参数，并在确定相关配置参数时需要考虑不同接收节点的关联性。建议在性能评估、标准设计和业务实现过程中，考虑如下因素： ●性能评估时，不同感知节点之间的空间一致性的特殊要求。 ●基本流程设计时，接口参数项考虑兼容共享资源方式。 ●感知资源分配时，考虑共享资源下不同接收节点的特殊性。 ●SF选择共享资源或非共享资源方式时，考虑参加感知节点的能力和资源开销。 通感融合场景感知模式需求 1智慧交通场景 智慧交通场景中典型的通感融合应用包括高精地图构建、道路监管和高铁周界入侵检测。针对高清地图构建应用，一方面，利用通信感知融合基站或者多站协同可实现对道路环境的感知，即针对区域的感知，利用基站的高视角，扩大感知范围，弥补车载传感器在恶劣环境下的感知缺陷和遮挡盲区，有效实现宏观道路匹配、车辆自定位和全局环境感知，为自动驾驶汽车安全运行提供超视距辅助。另一方面，高清地图构建可包含端侧实时环境感知信息的测量反馈，并同时用于ADAS（AdvancedDrivingAssistanceSystem,高级驾驶辅助系统）以提高驾驶的舒适性和安全性。因此，基站自发自收、基站A发B收、终端自发自收模式、终端A发B收可应用于高清地图构建应用。 针对道路监管和高铁周界入侵检测应用，利用基站的高视角或者多站协同可扩大感知范围，实现全方位、全天候、不间断地感知并将感知信息上传至处理中心。因此，终端自发自收和基站A发B收可应用于道路监管和高铁周界入侵检测应用。 2智慧低空场景 智慧低空场景中典型的通感融合应用包括无人机监管和避障、飞行入侵检测和飞行路径管理，一方面通过基站感知识别无人机“黑飞”或入侵。另一方面，利用基站的高视角或者多站协同扩大感知范围，以对无人机提供避障和路径指示。此外，对于避障和路径管理，无人机可具备通信能力的设备，可利用基站自发自收或基站A发B收进行感知。因此，基站自发自收和基站A发B收可应用于智慧低空场景。 3智慧生活场景 智慧生活场景中典型的通感融合应用包括呼吸监测、入侵检测、手势/姿态识别、健身监测和天气监测。其中呼吸监测、入侵检测、手势/姿态识别和健身监测主要应用于局域感知场景，可通过基站发终端收、终端发基站收、终端自发自收模式和终端A发B收将有效提升感知性能和效率。天气监测则主要基于室外基站感知进行空气湿度、雨量等天气表征因子的测量，可通过基站自发自收或基站A发B收进行感知。 4智慧网络场景 智慧网络场景中典型的通感融合应用包括基站和终端波束管理、信道估计增强、基站和终端节能、基站资源调度与优化。智慧网络场景可借助于上行或下行信号的感知信息辅助提升通信系统性能，因此基站发终端收和终端发基站收更适用于智慧网络场景。 5小结 结合上面的分析，对上述场景分析汇总如表2-1所示： 表2-1应用场景和感知模式的映射关系 注1：这里列举的是网络初步部署，各个场景优先考虑的方案。随着技术演进，各个场景可能结合更多的基本模式进行实现。 注2：飞行路径管理还涉及基站发终端收，终端发基站收模式。 通感融合无线架构与协议栈 3.1通感无线架构 考虑到不同感知场景的需求，《5G-Advanced通感融合网络架构研究报告》中提出紧耦合和松耦合两种类型感知架构，其中紧耦合架构包括控制面和用户面（C-U）不分离架构和C-U分离架构[2]。对应地，RAN通感架构如图3-1所示。其中，SF为逻辑网元，适用于紧耦合或松耦合，且其可位于5GC/gNB或其他位置。另外，在本技术报告中，将SF作为一个整体进行相关技术和流程的描述，并不对SF-C和SF-U做相关区分。 在该架构中，考虑到RAN的CU-DU分离和CU-DU不分离的场景。对于CU-DU分离的架构，gNB-CU承担感知控制信令的传递，而gNB-DU作为感知单元，负责具体感知功能，感知测量数据通过CU发送到SF。 图3-1RAN通感架构 3.2通感协议栈 在《5G-Advanced通感融合网络架构研究报告》中，上述通感无线架构可对应于报告中的“紧耦合架构的控制面协议栈”和“紧耦合架构的用户面协议栈”。其中，紧耦合架构的控制面和用户面协议栈又包括RAN与SF/SF-C之间的协议栈，和UE与SF/SF-C之间的协议栈[2]。 此外，感知过程中可能需要UE和gNB的交互，对于信令层面的交互，可参考现有的NR控制面协议，如图3-2所示。UE和gNB之间的感知资源配置在接入层可完全复用现有的控制面协议栈。SF和UE 之间可以通