通感一体化融合架构及关键技术

摘 要

【关键词】 融合通感；网络架构；5G-A；6G

0 引言

当前已有多个学术机构及标准化组织致力于探索6G网络及其相关技术的发展[1-3]。该类网络将具備"全域融合;极致连接;弹性开放;智能原生;数字孪生;绿色共享;算网一体;安全可信"等核心特性。通信与感知一体化等通感融合技术有助于实现数字孪生及绿色共享等6G要素的构建；因此吸引了学术界与产业界的广泛关注；并已就相关任务组合专项研究展开深入探讨；其中国际标准联盟（3GPP）已在SA1阶段初步完成首个通感融合立项；国内 IMT2020 与 IM2030 已成立专门工作组开展相关研究；同时中国通信标准化协会（C CSA）也开始推进该项技术的研究工作

当前，国内外研究者已就通感融合的研究需求、研究架构及关键技术展开了深入探讨。其中，文献[4]着重阐述了通信与感知融合的可行性问题，并提出了相关技术方案；文献[5-11]详细探讨了通感融合的网络架构关键技术，并针对5G-A及6G环境下多基站协同部署提出了相关技术方案；文献[12]系统地分析了从安全性角度分析了通感 fusion 所需注意的技术要点；文献[13-16]深入讨论了通感 fusion 中波型选择的关键因素，并评估其 OFDM 等波型在感知性能方面的表现

本文首先阐述了5G-A通感融合架构的设计方案，在现有网络架构的基础上针对性地针对广域和局域场景提出了相应的优化策略。随后提出了两类适用于6G通感融合的新型架构方案，并对其中的关键技术进行深入分析。最后对相关技术展开全面总结。

1 5G-A通感融合架构研究

伴随着5G技术的持续发展，在毫米波与空间天线领域的技术进步推动下，在该领域技术人员正在探索如何将毫米波频段与空间天线技术相结合来实现更高效的通信性能提升。具体而言，在该领域中应对的是通感融合的一个初步整合过程... 在该阶段中应对的是通感融合的一个初步整合过程，在R19及后续版本开始就需要部署相应的系统架构设计方案。因此，在本阶段着重考虑现有网络架构体系的设计稳定性以及其可扩展性问题，并不打算对现有的网络架构进行大的调整或者创新改进... 因此，在本阶段着重考虑现有网络架构体系的设计稳定性和可扩展性问题，并不打算对现有的网络架构进行大的调整或者创新改进... 故本阶段主要关注如何通过现有频率段与设备架构来开展基础性的通感融合应用开发工作...

1.1 5G-A广域场景部署的通感融合架构

在较大范围内实施通感融合时，则需同时达成通信与感知业务。
这种情况下则需根据是否具备移动性要求，在较高层次核心网络单元上部署相应的数据处理能力。
一种方案则是将感知网络单元放置于AMF。
另一种方案则是在AMF之后的更高层次核心网络单元。
架构示意图如图1所示 。可以看出这种架构就是现有5G网络架构。
两者均未发生根本性创新变化。
仅需对现有核心网络单元进行适配性改造即可实现类似功能。
类似于5G中的定位模块。

1.2 5G-A局部场景部署的通感融合架构

5G-A局部场景部署的通感融合架构主要采用适用于园区等较为封闭的场景，并聚焦于业务领域内的感知网络元部署。在此背景下，在现有本地化网络的基础上考虑到系统的衔接性和信息保密性要求，在局域网范围内建议采用感知处理网格单元，并且还可以根据实际需求与公网平台协同工作。在网络架构设计中可以采用核心网格单元下沉的方式，并灵活选择上行转发点（UPF）以及整体局域核心网格单元一同下沉以满足低时延和高可靠性的需求。图2展示了该网络架构

2 6G通感融合架构研究

因为目前6G网络架构尚不明确,这也导致了对6G通感融合架构研究的数量有限.本节重点探讨了基于多频谱特征与算力网络应用的两种6G通感融合网络架构设计.

2.1 高低频协助的6G通感融合架构

频率一致是通信与感知协同部署的核心资源，在低频段虽然覆盖区域广达但受限于有限的大带宽及丰富波束资源导致感知能力不足；而高频段凭借卓越的频能与带宽性能展现出极佳的表现但其局限性在于较小的覆盖范围影响了大规模部署。从通信技术的发展轨迹来看6G将向超高频段（THz）迁移同时将在中低频段引入6G化处理原则因此在通感融合架构中高频与低频网络架构的设计应当相互配合以实现协同优化图3展示了基于高频基站与低频基站协同部署的通信感知网络架构设计方案通过在低频基站内增设简单的多径变化判别功能模块以及感知触发识别功能模块可实现基础感知功能并触发特定事件；同时引入感知服务器对感知过程进行综合处理；最后在高频基站上加入相应的感知功能以确保通信持续不断且能够快速响应环境变化需求图3则呈现了高-低频通信感知一体化架构其中低频基站具备广范覆盖能力但受限于有限带宽导致多径数量减少进而影响精准定位与成像效果因此可作为基础级感知单元相对而言高频基站基于毫米波或THz频率的技术特征具备大带宽及多径优势从而实现了良好的成像定位效果然而由于其高工作频率特性使其覆盖范围缩小且对障碍物较为敏感只能实现短距离通信与实时感知。

2.2 基于算力网络的6G通感融合架构

在6G时代背景下，人工智能技术与算力网络协同作用将显著增强整个网络系统的计算性能。算力网络作为一种动态资源分配机制，在云、网、边等设施之间实现按需配置和灵活调度计算资源、存储资源以及网络资源的新一代信息基础设施[17]。目前而言，在提升服务质量和优化资源利用率方面取得显著成效的同时，在促进网络运营商开发新型业务能力及推进算网融合商业模式方面也展现出独特优势

在此背景下，在6G通感融合架构的设计过程中

3 面向通感融合系统的关键技术研究

对于通感融合系统而言，在研究过程中不可避免地涉及多种典型技术。其中涉及的波形特征、设备工作模式以及空口技术等问题都具有显著的技术挑战性，并且这些关键问题的解决情况直接影响着通信技术和感知系统的可行性和可靠性。

3.1 新型一体化波形研究

融合后的结果表明，在通信与感知融合的过程中所使用的现有波形已经无法完全满足当前双重部署的需求状况因此一体化的设计思路成为了这一领域中的重要技术支点在通感统一设计的过程中可以从理论层面进行探讨并将实际应用中的需求相结合从而能够开发出一种既适应通信又符合感知特性的一体化波形这种设计方案不仅能够有效解决当前的技术挑战还能够从根本上满足通感融合的要求就目前的研究现状而言总体上来说现有的频谱资源仍然主要集中在以下几个主要研究方向上第一个方向是基于现有技术方案进行综合运用与优化例如通过折中选择现有的几种典型方案来形成一种新的解决方案这种方式能够在一定程度上满足相关需求但需要相应调整以适应新的应用场景第二个研究方向则是探索具有创新性的新方案例如通过引入全新的技术手段或者架构体系来突破现有的局限性在这种情况下就需要对传统概念进行重新思考并且寻求更为高效的解决方案对于第一个研究方向而言OFDM虽然能在一定程度上满足相关需求但需要相应调整以适应新的应用场景而新型的设计思路则要求我们在保留原有优势的同时更加注重两者的平衡提升即既要保证良好的通信性能又要兼顾智能感知能力这样才能真正实现两者的协同发展

3.2 面向通感融合的全双工技术

在通信领域中，感知系统需要同时接收并发送数据才能满足高精度感知的需求。然而，在5G通信系统中，默认采用的是时间分复用（TDD）模式，在这种情况下无法实现上下行信号的同时接收。另一方面，则是频率分复用（FDD）技术能够支持上下行同时传输的数据处理过程；但目前该技术主要应用于低频段，并需 dedicated dedicated separate frequency bands for uplink and downlink transmission, leading to low channel utilization and inefficient spectrum resource allocation.

全双工技术具有显著的优势

在实际应用过程中存在不容忽视的问题，在这些技术问题中表现最为突出的是回环干扰噪声对系统性能造成的严重影响。具体而言，在通信过程中当发送端与接收端同时发送与接收同一频率信号时（即产生互相关联），会导致发送信号被全双工节点自身的接收天线捕获。经过测试发现，在实际运行中正常工作状态下的收发时间及传输距离远高于回环干扰噪声的现象明显存在。由此可知，在这种复杂的技术环境下两者的强度存在明显差别；而 interference problems also pose significant challenges to the research and development of full-duplex technology.

采用全波形调制解调技术同时完成接收与发射过程实现了上行和下行的通信，在满足通感融合需求的同时能够较好地实现其目标要求。然而当前采用全波形调制解调技术面临较高的技术和研发挑战需要投入大量的研究资源以期取得突破性进展然而就成本效益而言该方案将为解决高效能通信与高精度感知提供更为高效的解决方案

3.3 超大规模天线与智能化天线阵列

超大规模天线是6G技术发展的重要研究领域之一，在满足通信与感知需求时，超大规模天线不仅能够通过精准的空间复用技术实现更高的吞吐量提升，在利用其海量多径信息方面还能够实现对目标物体的有效识别与估计

伴随新技术与新材料的涌现

目前超大规模天线的研究方向如下：

在大规模尺度的信道建模问题中, 提出了高效且计算开销有限的信道估计与反馈机制

一种基于用户体验为核心网络架构与经济高效、灵活部署策略相结合的实用化分布式大规模天线系统

创新性地采用了系统架构进行有机整合的新型阵列结构与创新性天线设计。

4）智能化超大规模天线；

5）空间精准定位与感知。

此外，在实际应用中可以通过超大规模天线系统实现高强度波束的有效调节。通过密集型窄带部署方式可以在接收端获得更强的回波信号，并且这种 deployments能够帮助实现对感知物体位置与外形特征的高精度识别。

4 结束语

融合或一体化的通信与感知技术被认为是当前较为有潜力且具实际应用场景的6G技术之一。同样可以在5G-A阶段提前部署的一种具有潜力的技术是通信与感知的一体化或融合技术。这一过程是一个逐步演进的过程，在其中涉及的研究内容非常丰富，并且可以通过全面架构研究、关键技术研发以及多维度评价体系来有效提升整体性能水平。值得注意的是，在这一过程中，并非单一领域会被完全吞噬化影响；未来的发展方向将是基于全行业协同机制下的开放性平台架构设计。