2024年6G通感一体化空口关键技术研究报告2030（6G）推进组

2024年11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 ©2024IMT-2030（6G）推进组版权所有 目录 目录2 第一章引言6 第二章感知对空口设计的新需求分析8 2.1感知应用的特征8 2.2感知对基站的需求9 2.3感知对终端的需求9 第三章潜在感知波形11 3.1OFDM11 3.1.1基于OFDM的远距覆盖设计12 3.1.2CE-OFDM15 3.2FMCW16 3.3OTFS18 3.4OCDM20 3.5小结21 第四章感知信号设计和处理22 4.1感知信号设计22 4.1.1感知信号序列设计22 4.1.2感知信号图样设计23 4.1.3感知信号复用方式28 4.1.4通感信号融合设计29 4.2感知信号处理32 4.2.1干扰消除32 4.2.2虚拟孔径35 4.2.3功率分配37 4.2.4目标特征识别39 第五章感知波束管理42 5.1感知波束独立管理42 5.2通感波束融合管理43 5.3通信辅助感知波束管理45 第六章感知辅助通信46 6.1感知辅助通信信道估计46 6.2感知辅助通信波束跟踪48 6.3感知辅助通信覆盖增强52 第七章总结和展望54 参考文献56 贡献单位59 2 图目录 图1ITU-RIMT-2030应用场景6 图2OFDM系统感知处理流程11 图360kHz子载波间隔室增强型CP13 图4支持感知远距离覆盖的频域参考信号设计示意13 图5ISAC系统的新型信号结构14 图6用于远距离感知的ISAC帧结构示意图14 图7扩展CP和交替CP方案覆盖对比15 图8CE-OFDM系统框图15 图9CE-OFDM模糊函数图16 图10OTFS信号调制解调流程18 图11时变信道时延多普勒域信道响应18 图12序列自相关与互相关性能对比：自相关（左），互相关（右）22 图13感知性能对比评估结果：定位精度（左），测试精度（右）23 图14ZC序列性能23 图15非均匀感知信号实测时延-多普勒24 图16两步非均匀感知信号设计方法25 图17基于协方差矩阵的图样设计25 图18互质的非均匀图样设计26 图19频域双周期映射方式示意26 图20均匀映射与非均匀映射的频域占用情况对比27 图21均匀映射与非均匀映射的测距精度对比27 图22双周期配置感知信号27 图23通感空分复用波束方向图：(a)withISI；(b)delISI29 图24感知和通信的SNR29 图25参考信号集合130 图26参考信号集合231 图27UAV感知场景需求更大感知范围31 图28自发自收感知下的两种波形结合32 图29多个参考信号融合共同用于感知32 图30通信波形下的低旁瓣脉冲压缩方法处理结果34 图31ISAC统一天线架构36 3 图32等效发射天线间隔及实现的非均匀孔径37 图33角度估计RMSE性能37 图34等功率分配技术38 图35固定功率分配技术38 图36功率分配方案与传统方案的对比39 图37感知示例39 图386G感知与无源标签通信融合示意图40 图39感知信号和无源信号收发示意图40 图40距离误差匹配法示意图41 图41特征分类匹配法示意图41 图42用于感知接收机基于波束分裂的波束赋形模型43 图43基于感知区域的灵活感知波束扫描示意图43 图44大规模天线阵列通感一体化混合波束赋形设计示意图45 图45通信辅助感知波束管理示意图45 图46感知辅助通信信道估计与传统信道估计方法性能对比47 图47感知辅助信道估计的NMSE48 图48波束训练与环境感知一体化设计49 图49多变无线环境示意图50 图50波束训练和感知精度性能50 图51多径信道毫米波波束跟踪示意图51 图52基于扩展卡尔曼滤波的通感一体化（EKF-ISAC）与基于反馈两种方案的角度 预测性能对比52 图53感知辅助覆盖增强示意图53 4 表目录 表1四种潜在感知波形总结21 5 第一章引言 6G作为下一代移动通信系统，将跨越人联和物联，迈向万物智联的新时代。 2023年11月，国际电信联盟ITU-R发布了《IMT-2030及未来的新框架建议》[1]，也被称为全球统一的6G愿景，是制定全球6G标准的蓝图。建议书定义了6G的6个主要应用场景，其中3个是5G基础上增强的通信场景，另外3个场景是6G新引入的超越通信的场景，其中就包括通信感知一体化，如图1所示。未来6G网络将利用全频段、大带宽、大规模天线阵列、多节点协作等能力，提供超高分辨的检测定位跟踪、环境目标重构与成像、目标动作识别等能力，在支撑极致通信体验的同时，实现智能家庭、智慧工厂、智慧医疗、终极自动驾驶等网络服务场景。 图1ITU-RIMT-2030应用场景 在6G，通信与感知将进一步深度融合，从频谱、硬件到协议进行深度融合。6G网络突破目前单基、双基雷达的局限，从网络架构、组网技术、空口能力等方面进行原生通感融合设计，实现组网、广域、立体的精准感知。无线接入网的空口技术是6G的重要组成部分，不光决定了通信的能力和性能，也将决定感知的基本能力和性能。因此，6G系统需要展开空口关键技术的基础研究工作，为后续产业推动和标准化做技术储备。 6 2021年和2022年，IMT-2030发布的第一版和第二版的《通信感知一体化技术报告》对空口的关键技术做了简单介绍。在6G标准即将展开，有必要对6G空口技术进行梳理和研究。本研究报告基于第二版的《通信感知一体化技术报告》，对空口设计需求、感知波形、参考信号设计、信号处理、波束管理以及感知辅助通信技术做了重点讨论和分析，整理了最新的研究成果，在没有特别说明时，相关方法适用于六种感知模式。本报告期望进一步推动业界针对通感一体化空口技术的研究，为即将到来的6G标准做好技术储备。 7 第二章感知对空口设计的新需求分析 2.1感知应用的特征 在业界对于感知场景存在众多研究，这些研究涉及应用类场景和用例以及服务类场景与用例包括检测、定位和追踪类，动作识别类，环境检测类，以及环境重构类应用。从这些应用可以看到有以下特征： 感知和通信一体并实现互助。丰富的感知应用需要感知和通信由一个系统提供，既降低硬件成本、又降低布网成本并提供多种能力，又可更好支持各种应用。通信功能需要和感知功能在底层信号设计、帧结构做融合，也需求在协议栈的设计做融合，并考虑利用感知辅助通信、通信辅助感知来提升系统性能。 多种感知应用需求。既有针对家庭娱乐的感知需求，又存在针对低空、车联网、工厂、公共服务等各个行业和领域的应用。而且这些应用的需求是存在差异的，这些差异有来自于感知精度的差异，也有感知测量方法的差异，又有端到端数据处理、感知时延的差异。有些应用的感知精度需求较低，比如入侵检测类应用；而有些应用感知精度需求较高比如轨迹跟踪、成像。有些应用需要对于时延和刷新率较低，比如对于雨量检测其感知时延需求是6秒，而对于自动驾驶类应用其需求达到100毫秒[2]。未来系统需要在接入网的设计提供支持这些需求的灵活性，比如灵活的帧结构，灵活的信号设计。 多种感知模式。为了支撑这些丰富的应用，为了网络既存在只有基站侧参与的感知方式，也存在基站和UE协作的感知方式，还存在只有UE参与的感知方式。多种感知方式就要求在信号设计、信号处理上能够兼容，并且尽量的复用，减少感知开销。 更立体的覆盖。未来的应用既要支持地面的需求，又要支持低空的需求。而地面通信一直是移动通信网络服务的重点，同样的在未来移动通信网络中，地面对通信和感知的需求依旧强烈。低空经济作为战略性新兴产业，在促进经济发展、加强社会保障等方面发挥着日益重要的作用。因此，未来的网络需要对通信和感知提供更加立体的覆盖。 8 2.2感知对基站的需求 6G网络对于基站的需求主要集中在信号设计、信号处理、干扰消除、多天线等技术。 感知波形和信号设计。首先，感知的波形设计需要在整个6G系统的设计基础上进行开展。感知波形和通信波形存在千丝万缕的关系，不能抛开通信波形去设计感知波形。所以，在波形设计时需要考虑对通信的影响或和通信结合的存在问题。其次，在进行感知信号设计时，需要考虑其序列的设计、复用设计，并且需要考虑和目前已有参考信号的融合设计降低参考信号的开销。 信号处理。首先，对于通感一体化系统，获取精确的感知测量结果很重要，但是环境及通感系统中的各种外部和内部干扰因素会显著影响感知测量结果的精度。如果不消除这些干扰，将给后续的感知数据处理带来很大的问题。其次，为了更好的支持通信和感知功能，超宽带宽和超大规模天线阵列技术的融合，可以实现高精度的感知。但是，同时也带来了天线硬件成本高、系统功耗高、波束偏移等问题。然后，在通感一体化系统中，通信和感知业务共享并复用相同的时间、频率、功率等资源，如何权衡折中通信感知业务的性能，进行合理的功率分配成为重要方向之一。 波束管理技术。更立体的覆盖就需要更大的天线规模，以及更多的波束。这就要求对波束进行更好的管理。一方面，系统可以利用感知结果来辅助波束跟踪，结合定位技术缩小波束扫描范围、缩短波束训练时间，也可以优化波束发送。另一方面，通信辅助感知的波束管理方案来降低开销。同时，需要考虑感知和通信的混合波束赋形技术来降低硬件成本。 感知辅助技术。感知功能获取的感知结果可以优化通信信道估计，通信小区切换以及增强通信覆盖范围。基站需要能够获得感知感知结果来辅助通信资源的优化。 2.3感知对终端的需求 6G终端除了通信能力的增强，还需要具备满足特定需求的感知功能，具体体现在以下几方面[3]： 9 感知信号接收和发送。6G网络可能存在多种和终端相关的感知模式，终端需要将感知能力发送给网络，能够接收灵活的感知信号发送配置和接收配置，并且可以按照配置的资源进行发送和接收感知信号。 感知信息采集和处理。终端通过对接收信号的分析能够提取出反映传播环境特征的感知信息。为满足高精度感知需求，终端需要支持更高频段、更大带宽，结合各频段的特性进行联合感知，同时尽可能减小与网络设备或其他终端的同步误差。并且，终端需要能够对采集的感知数据进行处理，以减少信息上报的开销或者应用感知结果。 感知信息传输。终端需要将感知数据上报给网络，终端上报的感知数据需要综合考虑上报数据量、时延、开销以及隐私安全等各方面的影响。 10 第三章潜在感知波形 3.1OFDM OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用）波形作为典型的多载波调制技术被广泛应用于4G/5G移动通信系统，基于传统通信处理的感知处理流程如图2所示。 图2OFDM系统感知处理流程 假设基站发射M个OFDM符号的数据，每个OFDM符号包括N个子载波，则经过距离R，相对速度为V（其导致的多普勒频移为F）后，接收的基带信号可以表示为： M1 N1 j2nft2R tmTt 2R  OFDM rt Cm,nx m,ne cej2Ftrectc T m0n0 TOFDM    Cm,n:第m符号第n子载波的信道增益 xTm,n:第m符号第n子载波的调制符号 这里速度V与多普勒频移F的关系为： F2V,为载波波长  采样并FFT，第m符号的第n个子载波上的接收信号可以表示为： xRm,nCm,nxT m,ne j2nf2R cej2mFTOFDM,m0,1,...M1,n0,1...N1 可以发现：距离导致的相移与OFDM符号索引无关，该相移随着子载波索引的变化而线性变化。速度导致的相移与子载波索引无关，该相移随着符号索引的变化而线性变化。也就是说，距离和速度对接收信号相位的影响是解耦的，二者可以独立进行检测。 11 在不考虑干扰和噪声因素时，利用最小二乘法（LeastSquares，LS）信道估计获取得到信道信息（即检测矩阵）可消除发送数据影响。进一