5G应用产业方阵：2024年5G-A通感一体应用场景研究报告

课题编号：2023-01-C-005 5G-A通感一体应用场景研究 5G-AIntegratedSensingandApplicationScenariosResearch 2024年05月 研究报告要点 本研究报告主要探讨了5G-A（5GAdvanced）通感一体化技术在不同应用场景中的研究与发展情况。首先，介绍了感知技术的发展历程，提出了5G-A通感一体的发展背景；其次，分析了传统感知技术的原理、优势和限制，并提出了未来感知技术的四大趋势，包括通信感知融合、感知系统网格化、雷达向毫米波发展、人工智能的紧密结合；此外，重点解析了5G-A通感一体技术的特性及优势，并于传统感知技术进行了对比；在此基础上，提出了5G-A通感一体8大潜在应用场景及需求，并对重点应用场景的可行性进行了分析；最后，对5G-A通感一体技术及应用的发展进行了展望。 研究单位：中国信息通信研究院、华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司、中国移动通信集团有限公司、中国联合网络通信集团有限公司、中国电信集团有限公司 研究人员：王琦、姚家伟、李宁、杜加懂、夏仕达、韩志强、汪竞飞、赵孝武、杨琭、田明明、陈丹、邱学、任勇强、吴爱军、李岩、曾凯越、张俪、包宸曦、吕涛、王忠新 完成日期：2024年5月 目录 15G-A通感一体发展背景综述1 2传统感知技术发展的发展趋势2 2.1传统感知技术介绍2 2.2传统感知技术的发展趋势4 35G-A通感一体技术特性解析与优势6 3.15G-A通感一体技术介绍6 3.25G-A通感一体化与传统感知技术对比分析11 45G-A通感一体潜在应用场景及需求11 4.1低空经济应用场景及业务需求12 4.2水域入侵检测应用场景及业务需求14 4.3智慧交通应用场景及业务需求16 4.4建筑微变形监测应用场景及业务需求18 4.5气象服务应用场景及业务需求19 4.6健康检测应用场景及业务需求20 4.7园区监测应用场景及业务需求21 4.8矿山边坡监测应用场景及业务需求22 55G通感一体应用场景可行性分析23 5.15G-A通感一体应用场景路径分析23 5.25G-A通感一体重点应用场景分析25 6总结与展望30 5G-A通感一体应用场景研究 15G-A通感一体发展背景综述 感知技术或称雷达技术，最先应用于军事领域，近年来广泛应用于智慧交通、低空经济等民用领域。在智慧交通领域，2023年9月交通运输部印发《关于推进公路数字化转型加快智慧公路建设发展的意见》，制定“1156”总体方案，提出运用现代数字技术赋能公路交通，提升感知、分析、决策支持能力，实现人、车、路、环境深度融合以及全业务流程数字化。路侧感知设施已成为我国智能交通领域建设的重点，毫米波雷达作为智慧交通重要的路侧感知设备，凭借全天候、远距离、高精度等优势在智慧交通领域得到广泛关注与应用，已成为缓解交通拥堵、改善交通秩序、提高交通系统通行效能、提升出行体验的重要技术手段。在低空经济领域，民航局印发的《“十四五”通用航空发展专项规划》中提出大力发展低空经济，国务院、中央军委颁布《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》，进一步规范了低空无人航空器的空域管制、运营管理与运行监管等机制，为低空经济发展奠定基础。当前，全国已有29个省或直辖市发布了低空经济的发展规划，其中低空通信和感知能力已成为低空经济健康发展的重要基础。 传统的通信与感知系统具备不同的功能，两个系统都是向空间发射电磁波并接收电磁波，但二者通常独立存在。其中，通信系统主要是实现数据的传输，而感知系统主要功能是获取周围环境或物体信息并实现定位及追踪。传统的感知系统主要依赖于电磁波、雷达、红外线、摄像头等，其中以雷达应用较为广泛和典型。以雷达为例，其原理是发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，从而获取距离、速度、方位、高度等信息。 随着5G网络的不断演进，5G-A正式纳入通感一体技术，移动通信网络系统将同时具备通信及探测感知的能力。5G-A通信感知融合基于软硬件资源以及频谱资源共存/共享，实现在一张网络上同时支持无线感知与无线通信功能。一方面，利用公共移动通信基础设施使能感知服务，借助于通信系统的泛在部署实现感知维度的无缝覆盖和感知硬件部署成本的降低，实现一网多能，充分发挥移动网络 优势并满足不同场景下的感知需求；另一方面，借助感知服务为通信性能带来提 升，基于对无线通信信道环境的感知、识别与预测，进一步创新无线通信资源管理，提升无线通信系统的性能和效率。 当前，国内外相关组织已针对5G-A通感一体化技术开展了一系列的研究及标准化工作。国际标准化组织3GPP在Rel-19中完成了通感SI（StudyItem，技术可行性研究阶段）立项，2024年第二季度启动通感一体化的信道建模研究。在国内，IMT-2020推进组中成立了通感工作组，并在通感需求与场景研究、技术标准化和实验验证等方面开展了相关工作，发布了《5G-Advanced通感融合场景需求研究报告》、《5G-Advanced通感融合网络架构研究报告》和《5G-Advanced通感融合仿真评估方案研究报告》。 2传统感知技术发展的发展趋势 本章主要介绍传统的三种感知技术原理与发展趋势。 2.1传统感知技术介绍 2.1.1雷达感知探测 雷达是用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等。 几种典型雷达的技术对比如下表所示。 表1典型雷达技术优缺点对比 参数 毫米波雷达 激光雷达 超声波雷达 距离(m) 1000 300 15 速度(m/s) >1000 >300 ≤100 径向运动 好 好 好 切向运动 差 差 差 静止测距 复杂 简单 简单 角度测量 较好 很好 好 环境限制 全天候，不易受环境影响 雨天 风沙尘等 成本 中 高 低 穿透性 好 较差 较差 优点 不受天气情况和夜间的影响，探测距离远 测距精度高，方向性强，响应速度快，不受地面杂波影响 价格低，处理简单，体积小 缺点 成本较高，目标识别难度较大，可与摄像头互补使用。 成本很高，不能全天候工作，遇到浓雾，雨雪天气无法使用 易受天气和温度影响，最大测量距离只有几米 2.1.2光电感知探测 光电探测是利用传感器能把光信号转换为电信号。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化（当被测物理量本身是光辐射时，无需专门的转换），然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应或热电效应。 光电探测系统由光源、光路（及光学器件）、光电换能器、电路组成。光电探测系统具有以下7个方面特点： 1)检测距离长：在对射型系统中保留10m以上的检测距离； 2)对检测物体的限制少：由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不像接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测； 3)响应时间短：光本身为高速传播，并且传感器的电路都由电子元件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短； 4)分辨率高：能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测； 5)可实现非接触的检测：可以无须机械接触实现检测，不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用； 6)可实现颜色判别：光通过检测物体形成的反射率和吸收率根据光线波长和检测物体的颜色组合不同而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测； 7)便于调整：在投射可视光的类型中，投光光束是人眼可见的，便于对检测物体的位置进行调整。 2.1.3TDOA探测 TDOA（timedifferenceofarrival）是通过检测信号到达两个基站的时间差来确定移动目标的位置，只需要基站之间进行时间同步，而没有目标和基站之间的时间同步要求。如图1所示，根据到各个基站的测距信息，以基站为中心画圆，就可以得到一个交点，交点就是标签的位置。 图1TDOA原理图 2.2传统感知技术的发展趋势 2.2.1感知系统的发展历程 传统的感知技术当前主要应用于军事、航空、航天和气象等领域，其发展历程主要经历三个阶段： 早期阶段：早期雷达感知技术（20世纪初~1945年） 早期的感知系统主要是雷达为代表，主要用于军事目的，用于探测飞机和舰船。最早的雷达系统是通过发射无线电并接收其反射信号来实现目标的探测。由于早期的电子信息技术发展受限，这些系统的性能有限，探测距离和分辨率较低。 中期阶段：雷达感知技术成熟阶段（1945年~20世纪末） 二战后，雷达技术发展迅速，雷达系统的探测距离和分辨率得到了显著提高。 在脉冲雷达出现后，能够长距离上探测到目标，并且能够区分不同目标之间的距离和速度。这一时期的雷达，除了军事目的外，还广泛被用于航空、航天和气象领域。 当前阶段：感知技术的数字化和高性能化（20世纪末至今） 随着计算机及电子技术的发展，雷达系统逐步实现了数字化和高性能化，并且摄像头、激光、毫米波雷达技术也逐步走向商用，被广泛应用于民用领域。这一时期的感知系统呈现多种技术并存，并且在探测距离、分辨率和抗干扰能力上显著提升。 2.2.2感知系统的未来趋势 未来随着感知系统的性能继续提高，并且在民用领域的交通、低空监管、周界安防及健康检测等领域中发挥着更重要的作用，并呈现下述的4大趋势。 趋势1：通信感知融合 随着感知系统的精度越来越高，其数据不仅在感知系统内部应用，也通过通信系统传递到后端的各类调度监管平台应用。这点以交通监管摄像头和路测交通雷达最为典型，感知数据在本地采集处理后，通过通信网络传回交通监管中心的平台，用于智能交通调度。未来的感知系统的趋势是将实现目标探测、跟踪、成像和通信功能一体化。 趋势2：感知系统网格化 未来的感知系统将实现网格化，多个感知部件及系统之间能够进行数据共享和协同工作。通过网格化，可以实现更广泛目标探测和跟踪，提高感知系统的整体性能和覆盖。 趋势3：雷达走向更高频的毫米波 毫米波雷达是当前的热点雷达技术，能够实现更高的分辨率和探测精度。由于未来的智能低空经济、交通管理及城市建筑变形监测等应用对于目标识别的精度要求将从米级迈向毫米级，毫米波技术将会被广泛应用。 趋势4：人工智能更紧密结合 随着大模型和人工智能技术在近些年不断进步，未来的雷达系统将与人工智能技术深度结合，实现更加智能化的目标识别和跟踪。通过机器学习和深度学习算法，感知系统能够准确的判断目标的特征和行为。 从趋势1到趋势3可以看出，未来的感知技术与通信技术逐步走向融合，同时感知部件的部署方式与通信蜂窝基站的网格化部署方式趋近相同，并且两者的电磁波段都向毫米波波段演进。5G-A通感一体化技术特点就是融合感知的这4大趋势，并建立在5G通信技术上的感知一体化技术。 35G-A通感一体技术特性解析与优势 3.15G-A通感一体技术介绍 通信感知一体化通过空口及协议联合设计、软硬件设备共享，使用相同频谱资源实现通信功能与感知功能的融合共生，使得无线网络在进行数据通信的同时，还能通过分析无线通信信号的直射、反射、散射，获得对目标对象或环境信息的感知，实现定位、测距、测速、成像、检测、识别、环境重构等功能，为提升频谱利用率和设备复用率、提升通信网络价值带来一个全新的维度。 3.1.1通感一体空口关键技术 在5G-Advanced阶段，通感一体空口关键技术包括感知工作模式、一体化波形设计、一体化感知信号设计等。 1）感知工作模式：根据参与感知的设备的不同（可以是基站或终端）以及感知信号收发方是否为同一设备，以及感知者本身是否发送感知信号，可将感知分为主动感知和被动感知。这里的感知者为感知基站，按照主动和被动发射信号用于感知，可以分为三种典型的感知工作模式：基