空天地一体化场景中的6G通感算融合与数字孪生技术-王辉

空天地一体化场景中的6G通感算融合与数字孪生技术 王辉，孟士尧，贾敏 （哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，黑龙江哈尔滨150001） 摘要：随着接入需求的增加以及网络规模的扩大，需要在6G网络将通信、感知和计算三类技术融为一体，共同促进整体系统性能的提升，并利用数字孪生技术增强系统的实时维护和建模能力。文中首先分析了5G的局限性，并展望了6G在通感算深度融合、全域覆盖方面的需求与优势。之后研究了通感算融合技术在空天地一体化网络中的应用，以及数字孪生技术在构建未来“数字孪生、智慧泛在”世界时发挥的功能。文章提出了一种基于通感算融合技术的数字孪生网络实现方案，将空天地一体化网络映射至数字世界，并实现反作用于物理世界，以期达到“一念天地，万物随心”的愿景。 关键词：通感算融合；空天地一体化；数字孪生；第六代移动通信系统中图分类号：TN919.23文献标志码：A 6GCommunication-Sensing-ComputingIntegratedAir-Space-GroundDigitalTwinNetwork WANGHui,MENGShiyao,JIAMin (SchoolofElectronicsandInformationEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China) Abstract:Withtheincreasingdemandforaccessandtheexpansionofnetworkscale,itisnecessarytointegratecommunication,sensing,andcomputingtechnologiesin6Gnetworkstoenhancetheoverallsystemperformanceandutilizedigitaltwintechnologytoimprovereal-timemaintenanceandmodelingcapabilities.Thispaperfirstanalyzesthelimitationsof5Gandexploresthedemandsandadvantagesof6Gintermsofdeepintegrationofcommunication,sensing,andcomputing,aswellascomprehensivecoverage.Thepapertheninvestigatestheapplicationofcommunication-sensing-computingintegrationtechnologyinintegratedspace-air-groundnetworksandtheroleofdigitaltwintechnologyinbuildingafuture"digitaltwinandsmartpervasive"world.Thepaperproposesadigitaltwinnetworkimplementationschemebasedoncommunication-sensing-computingintegrationtechnology,mappingtheintegratedspace-air-groundnetworktothedigitalworldandachievingfeedbacktothephysicalworld,aimingtorealizethevisionof"athoughtfortheworld,everythingfollowsthemind." Keywords:communication-sensing-computingintegration;integratedair-space-groundnetworks;digitaltwin;sixth-generationmobilecommunicationsystem 收稿日期：2024-08-14 基金项目：国家自然科学基金(62231012) FoundationItem:NationalNaturalScienceFoundationofChina(62231012); 0引言 随着新一轮科技革命和产业变革的深入发展，移动通信技术作为新一代信息技术的代表，正在逐渐渗透到经济社会发展的各个领域。如今移动通信技术已经进入B5G时代，逐步实现了万物互联的世界，对社会生活诸多方面产生了深远影响[1]。同时，需要认识到5G并未完全达到预期，目前还应用依旧相对单一，主要集中于消费者层面，而非初始预期中在垂直行业中获得更加活跃和广泛的应用，其中部分指标未能达到相关垂直行业的应用要求，比如通信延迟。因此，我们依然需要6G的进一步发展，以满足当前垂直行业的需求。基于以上需求，6G将为人和物提供更好的连接，推动人联、物联向智联转变，开启万物智联的社会，6G将是通感算智深度融合、空天地一体全域覆盖的新一代移动信息网络。 其中，随着用户数量的增长以及业务类型的多样化，无线网络正向更广泛的空间维度和增强的功能性发展，地面网络的有限覆盖和容量已经无法满足日益增长的需求，空天地一体化网络被认为是为新兴服务提供无缝全球连接的有效解决方案[2]，利用太空中的卫星、高空的无人机（UAV），整合地面已有的移动网络，最终可以建立一个强大、适应性强和高性能的集成网络架构。 当前5G网络引入增强的移动宽带通信、云计算和边缘计算等新型技术[3]，但环境感知能力有限[4],在如此背景下，研究如何研究集成感知、计算和通信（ISCC）以提高第六代（6G）无线网络中有限系统资源的利用率变得尤为重要。通信、感知、计算的融合将对整个系统的效率产生巨大的提升，其中各个要素也会相互促进[5],因此，将通感算融合技术应用到空天地一体化网络中，将进一步增强网络的稳定性和效率，并扩宽应用范围。 此外，6G的愿景是构建一个“数字孪生、智慧泛在”的未来世界，数字孪生通过整合多维、多尺度、多学科和多物理参数，建立动态虚拟模型，模拟和描述物理实体在真实环境中的属性、行为和规则[6-7],将现实世界和整个网络都映射到虚拟世界中，数字孪生模型反映物理实体的性能、操作、环境、几何形状和状态[8]，又可以反作用于物理世界，可以降低网络运维成本，获取关于整个网络的实时信息。本文将主要介绍利用通感算融合的技术实现数字孪生网络，将空天地一体化网络孪生到数字世界，并反作用于物理世界，真正实现“一念天地，万物随心”。 1通信-感知-计算融合 1.1研究背景和需求分析 6G的场景在5G的基础之上进行了扩展，将三个方向扩展为六个角，如图1所示。 图1IMT-2030的六大场景和四大原则 Fig.1IMT-2030'sSixMajorScenariosandFourMajorPrinciples 上图汇聚当前全球关于6G的共识，描述了6G 的目标和趋势，提出了典型的应用场景和相应能力指标体系。通感一体化和人工智能作为其中的重要部分，将在第六代移动通信中发挥巨大的作用。如今各种交通运输场景，比如无人驾驶汽车、无人机低空经济，这些不仅需要精确的定位服务，同时需要对环境的精确感知，最终需要以极低的时延对感知到的数据进行传输和计算，之后将计算结果返回各个终端或者在本地完成计算，最终完成一系列业务。使用独立的雷达基础设施可能会带来效率低下和浪费的问题，因此，依靠无处不在的基站、卫星以及天基网络，在其中部署雷达感知系统，实现感知集成，极大提高了监测定位精度和速度，且成本降低；同时依靠边缘部署的计算中心，可以有效降低网络通信时延，多个网元联合信息计算，也可以降低计算消耗。 6G愿景的实现，需要从信息采集、信息传递、信息处理等多个环节端到端设计。在数学、物理、材料、生物等多雷基础学科的创新驱动以及先进信息技术的支撑下，实现通信、感知、计算的深度耦合。事实上，集成感知和通信（ISAC）已经在学术界和工业界引起了广泛关注[9]，研究方向包括感知辅助的通信系统、通信辅助的感知系统以及联合优化系统。然而，由于无论是理论基础还是网络架构上，通信、感知和计算都具有较大的差异性，如何将三者结合起来，使得网络中各个节点同时具备感知、计算和通信的功能，统一协调，联合为6G赋能，将是一个巨大的系统级工程。 图26G通感算融合功能 Fig.2Communication,Sensing,andComputingIntegration 1.26G通感算深度融合典型特征 6G通感算融合的典型特征具体来看主要有三个方面[10]，要素协同、频率扩展、网络化协作。 1.2.1要素协同 多个要素深层次协同融合，实现感知维度的扩展、通信效率的提升、算力的泛在化。通信和感知作为数字化基石，通过多维度信息的获取与汇聚，为6G网络智能化提供丰富的数据源，即通过通感一体化获得更多维度数据。 泛在的算力作为数字化转型的底座，通过数据源的深层次含义挖掘，决定6G网络智能化发展的水平，作为基础的支撑能力。算力的大小决定了6G网络化、智能化前进的脚步和距离，在当下国际形势和科技发展水平下，算力以及其物理实体GPU显得尤为关键。 （1）通算融合提升感知的维度与深度 通信功能支撑感知信息更好地交互与汇聚，利用无处不在的基站和卫星以及空基网络，甚至可以实现全球感知数据的传输，用边缘部署的计算节点或者本地节点，实时共享的算力可以支撑多样化感知数据的融合处理，“通”与“算”相互结合拓展了感知的维度和深度。 图3感知维度扩展 Fig.3SensingDimensionExpansion 此外，通信和计算分开进行将会大大提高系统的整体时延，也提高了对通信的带宽的要求。因此需要将通信和计算同步进行，文献[11]研究了在多址信道中利用波形技术减轻计算单元消耗的空中计算方法。除了通信和感知计算融合促进感知能力，通信和计算之间也存在相互增益。比如，利用通信 辅助计算，可以充分利用多个节点的分布式计算资源，将一个大型计算任务分解传输到网络中的各个计算节点，从而提高了计算的速率，降低时延和计算的成本，文献[12]中便提出了利用本地计算和结合资源卸载的联合计算方法；此外计算也可以辅助通信，对于通信过程中出现的信号处理或者资源分配问题，利用人工智能等技术可以显著提升通信的效率。 （2）感算融合提升通信性能 感知和计算功能都将是第六代移动通信技术中不可或缺的部分，感知可以喻为人类的感官系统，通过视觉方式、电磁波方式等对环境进行检测，获取信息，获得的大量数据便通过计算系统发这个“大脑”进行分析和决策，实现对系统的精准控制。 此外，网络设备通过感知获取丰富的环境信息，包括雨衰、气候、遮挡和多径效应等，并借助网络算力完成环境重构、信道估计等过程，让网络对移动通信环境有一定的先验认识，为全局优化传输、提升通信整体性能提供重要的支撑，如图4所示，展现了感算一体化下通信增强流程。尤其是与空天地一体化相结合时，通过卫星和空基网络，可以获得更加全面和详细的环境信息，对于数字化的世界构建也至关重要。感算一体化在现实也应用广泛，在智能制造领域可以利用传感器等感知元件对车间环境进行感知，再通过计算节点进行决策判断，从而提高生产效率。 图4感算增强通信 Fig.4SensingandComputingEnhancedCommunication （3）通感融合提升计算能力与效率 感知获取的丰富数据为智能化算法提供多维数据集，而通信是实现数据汇聚的基础支撑。通感融合为算力资源的快速调度提供先验信息，促进网络具备泛在计算能力 图5通感融合促进算力泛在化 Fig.5TheIntegrationofCommunicationandSensingFacilitatestheUbiquitizationofComputingPower 通感一体化是实现通感算融合的关键部分，从 频谱的共享到波形的共享再到硬件的共享，每一部分都引发了诸多学者的研究，也是被正式列入6G标准化的一项