6G通感一体化组网理念及关键架构研究

本文围绕6G通信与感知融合（Integrating Sensing and Communication, ISAC）的核心技术和应用展开研究。ITU已明确将通感融合作为6G的主要技术方向之一，并将其作为5G扩展的重要场景之一进行推广和发展。文中提出了通信与感知融合的需求分析，并从多个层面探讨了其在5G到6G演进过程中的关键技术及应用潜力。
在阐述了智能导航、智慧姿势识别、智慧跟踪及XR空间构建等典型应用场景及其相应的网络保障参数需求，并通过图示展示了相关的关键性能指标（KPI）。同时，在架构研究中提出了面向通信-感知-智能-算力-N融合的6G网络架构模型，并结合多频段协同与多节点协作特点进行了深入探讨；此外，在空口设计方面，则重点研究了新型波形设计、信道建模优化及高效的MIMO技术应用等问题。
本文通过系统性分析和技术路线探讨，为未来6G通信与感知融合系统的研发提供了理论依据和技术支持方向。

摘 要

【关键词】 融合通感；网络架构；空口设计

0 引言

ISAC（即通信与感知一体化或融合Integrated Sensing and Communication）被视为6G的核心技术之一，在学术界与产业界均受到广泛关注并进行了深入研究[1-3]。国际电信联盟(ITU)在最近一次大会上明确了6G的关键应用场景，在原有的5G增强移动宽带、超高质量低延迟通信以及海量机器类通信基础之上又增加了通信与感知融合、无线人工智能以及无处不在的通信（如图1所示）。因此，在这一关键场景下通感融合不仅具有明确的服务需求还需要从网络架构、无线传输接口以及组网等方面进行较大的变革同时还需要与其共存发展的AI技术和计算能力等典型6G通用技术形成有机整合

6G通感融合的技术需求、体系架构以及空闲口关键核心技术均涉及系统性研究工作。当前阶段，在高校机构及企业等社会组织中已展开相关研究工作推进。文献[6-10]详细阐述了通信与感知融合方案的可行性问题，并对相关的网络架构进行了深入探讨。文献[11]则深入分析了通感融合技术的理论边界问题。而文献[12-15]则重点围绕通感融合的关键技术展开分析，在此基础上深入探讨了不同波形在感知性能方面的特性。

本文首先阐述了6G的发展需求，在深入分析通感融合的关键场景和核心业务需求后，构建了相应的评估体系并得出了明确的技术方向建议。随后系统探讨了6G通感融合系统的架构设计，在从'多要素共享' '多频段协同' '多节点协作'三个维度出发的基础上构建了三套具有代表性的架构方案。接着重点剖析了6G空口技术的关键设计要素，并在此基础上提出了若干创新性解决方案。最后完成了全文内容的系统性总结。

1 6G通感融合的需求

通感融合技术是一种创新性新型网络架构，在深入探索业务与通信深度融合方面发挥了重要作用。随后，这一趋势将重塑原有的通信架构及评价体系；因此有必要研究典型的业务需求及其所需实现的网络保障参数；本节将介绍业务需求及其相关的网络保障参数。

1.1 业务需求

基于ITU通感融合的场景分类框架下，在深入分析多种典型的网络特征及应用场景的基础上

智能导航作为一种先进的交通管理技术，在城市化进程不断加快的背景下得到了广泛应用和发展机会。该系统通过整合道路信息（包括实时监控的道路状况）、车辆运行数据以及行人行为数据为基础信息，在城市交通管理系统中构建起基础数据平台，并为各类交通服务业务提供技术支持。这种实时动态更新的能力使其成为现代城市交通管理的重要组成部分之一。通过实现智慧导航系统的智能化发展，在道路通行能力提升的同时实现了对公众出行效率的最大优化控制。在这一过程中, 智能导航系统不仅具备感知能力, 更具备决策支持能力, 可以在区域层面快速响应各种突发事件并采取相应措施进行应对与处理, 这一特点使得它在现代城市交通管理体系中发挥着越来越重要的作用。

智慧姿势识别：在5G-A与6G系统中，通过感知或感知+通信实现新业务拓展已成为关键手段之一。位置识别与姿势识别均属于重要的通感融合应用场景。常见的应用场景包括工业环境、家庭环境以及公共场所等。在工业环境里，则侧重于对工业设备位置信息的实时采集与管理；家庭环境中则关注人体姿态变化情况，如跌倒等常见情况；公共场所则需应对特殊性较高的手势及动作识别需求，在交通管理方面尤为重要。值得注意的是，在手势识别范围内可区分大动作识别与微动作识别两种类型：前者涵盖手臂整体位置的变化范围（分米级精度），后者聚焦于手部细微运动（厘米级感知水平）。

智慧跟踪作为一种主要场景，在通感融合的基础上能够实现对非通信接入设备的追踪，并大幅提升了业务操作的灵活性。具体而言，在典型应用场景中，智慧跟踪可划分为低空、地面及特殊场景三大类。其中低空跟踪主要涉及无人机、飞行器等低空漂浮物体的行为追踪；地面跟踪则聚焦于车辆行驶及人员移动等常见活动；特殊场景 tracking 则针对水下物体及矿井等特定环境下的人员及物 tracking 问题展开。值得注意的是由于目标类型及所需 precision 的差异性导致设备种类及核心技术也存在显著差异 因此在实际应用中 对不同场景下的 tracking 精度要求各有不同 从米级（室外环境）到分米级（室内环境）都有相应的解决方案以满足精准 tracking 的需求

XR空间构建：未来的技术发展将由平面化的2D交互转向更具三维感与效率的3D交互模式。基于虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及混合现实（MR）等扩展现实（XR）技术的发展需求而形成的技术统整体系中，“扩展现实”概念则主要涵盖VR/AR/MR等前沿科技领域。相较于传统的二维平面化场景展示方式，在XR空间中需要呈现更多元的数据信息并进行科学整合与布局配置一方面而言之，则现有技术在二维以上扩展现实需求上存在不足主要体现在空旷区域感知、多维信息感知采集等方面受限于现有技术的局限性与点状定位能力无法满足XR所需的数据处理需求；另一方面则面临设备协同整合的挑战需要整合视频采集、通信传输以及环境感知等多个维度的数据来源以构建一个集成了多感官能力的空间模拟体然而当涉及设备种类过多复杂度过高时就可能导致实时数据分析与数据重构过程难以实现因此通感融合系统或者通感算融合系统等创新性解决方案就显得尤为重要这类系统能够有效地解决上述问题其中关键在于利用5G/6G无线网络广泛部署所带来的感知能力优势网络能够实时捕捉二维与三维空间中的目标用户及其周边环境信息从而构建元宇宙中的综合输入体系其作用相当于连接着XR世界的实时数据采集入口也是实现典型孪生世界的重要支撑手段同时该系统的感知精度需达到米级（适用于室外场景）至分米级（适用于室内环境）以确保数据采集的准确性与可靠性

1.2 网络需求

基于通感融合理念提出的一项业务需求是由业务自身需求驱动提出的，并非孤立存在。该业务发展必须与网络的需求相协调。为了更好地支撑这一目标，在参考ITU提出的15项技术指标的基础上明确了6G需重点关注的网络指标（如图2所示）。这些指标不仅将深刻影响和指导网络建设，并且在本节中我们也将从6G通感融合的角度深入探讨典型业务场景下的具体网络需求。

从各个业务中提炼关键能力，则能更清晰地展现6G在感知融合领域的潜力与优势。通过聚焦于这些相关的关键能力，则能更好地掌握6G技术对于通信与感知融合典型应用的重要意义。表1 主要突出了多个通感融合场景下典型业务的核心需求：

2 6G通感融合架构研究

通感算融合网络的核心特征已基本明确,主要体现在三个关键方面:即多要素协同共享、高协同度的多频段协作以及多元协作型的技术体系.然而,目前6G网络架构尚未形成统一的标准与框架.基于此,针对6G通感融合架构的研究应当着重从这三个关键维度入手:将高效的多要素协同共享机制、高协同度的多频段协作能力以及多元协作型技术特征有机整合到6G通感融合架构中,从而构建多层次/多领域交互、多频段协作以及多元协作型网络架构.

2.1 面向通信-感知-智能-算力-N融合的6G网络架构

网络架构可被视为6G通感融合的核心框架，在构建时需从多维度进行功能划分并确保各层/域间的互联。在6G未来发展进程中，感知与通信的融合仅可视为业务与网络融合的核心概念，并可能延伸至其他领域如无线传能等，在构建多层次架构时需采取开放性态度（如图3所示），该架构基于通信、感知与传能三者整合设计，并从分层概念出发建立了四个层次：应用域、控制域、资源域及终端域。其中应用域通过开发OSS智能应用平台实现业务与网络结合；资源域则负责编排基站及核心网等实体并连接物理节点以形成有机化通感+N网络；控制域作为智慧化管理实体具备整合通信、感知、计算及安全等多种能力；而 terminals 域则主要负责弹性化按需化的终端资源接入通感+N体系中。

2.2 基于多频协作的通感融合网络架构

未来6G的发展将依赖于多个频段协同共存的新架构设计，在这一过程中必须兼顾高频频段资源的释放与低频频段重耕所带来的频谱复杂性和复合特性。在6G多频率网络架构下，在低频率带实现深层网络覆盖的同时支撑千兆比特级的基本接入需求；基于无源技术的大规模感知网络能够有效识别各类标定设备；中频率范围则聚焦于连续覆盖、中速数据传输以及米级尺度的空间探测；而高频信道在按需激活的状态下不仅能够显著提高通信速率与定位精度（亚微米级）并引用文献[5]进行理论支持

在组网过程中需统筹规划高频与低频基站的有效协同，在设计高频基站时应着重于设备的模块化集成、体积减小以及性能优化，并引入智能化处理单元以实现高精度且具有智能化功能的高频通感融合样机。与此同时，中低频通感融合样机需平衡通信承载能力和感知能力，并受限于感知能力上限，在基于当前频率载荷饱满的状态下开发基础型可感知强通信支撑型通感样机并设计相应的组网方案。如图4所示 ，给出了面向多频协调的通感融合网络架构，在架构中体系体现了sub10 G频段与毫米波频段、THz频段协同处理的关系。

2.3 基于多节点协同部署的6G通感融合架构

在通感融合/一体化无线网络架构的设计过程中

（1）本地边缘感知架构（如图5所示 ）：分别负责处理控制域算力和资源域任务的两个模块部署于基站内部，并完成构建一个基于本地化基站与简单服务器协同工作的区域化通感融合泛在基站-平台系统。

（2）核心网集中感知架构（如图6所示）：该架构基于图6展示了控制域算力模块与核心网感知网元协同部署于该架构中。通过完成感知数据分析及在多基站环境下实现通感融合资源的有效配置。各基站负责其区域内的传输处理工作。

分布式感知架构（如图7所示）分别部署于基站及核心网中的算力模块构成了一种创新性设计。该架构旨在构建基于分布式架构的6G无线网络，并以用户体验为核心进行系统优化。在实际运行过程中需确保控制域算力模块与核心网感知网元等进行协同部署，在保障网络性能的同时实现感知数据分析功能；同时资源域模块需与RAN协同工作以完成基站内部的通感资源配置任务以及基础感知数据处理工作

3 6G通感融合空口的设计

在通感融合过程中，空口被视为实现这一目标的基础环节。其中，在波形构建、信道搭建以及帧结构设计等方面所涉及的空口技术均面临较高的研究挑战。其研究结果直接关系到通信系统与感知系统的有效结合。

3.1 新型通感融合波形研究

该系统通过共享信号波形、频谱资源以及硬件资源等实现通信与感知功能的同时完成。其中，在通信与感知领域的信号设计构成了该系统研究的核心内容之一。随着技术的发展阶段不同，在这一过程中对信息传递效率的要求也随之提升。在初始阶段，在不同演进时期所采用的技术手段会呈现出一定的差异性特点。具体而言，在最基础阶段的信息传递中，“通感”（即同时完成通信与感知）信号主要采用时分/频分/空分/码分等多种复用技术手段来完成信息传递任务，并实现了两种功能的有效分离互不干扰状态下的共存关系——这被定义为一种较为松散形式下的耦合关系。“紧耦合”则代表了两种功能实现了高度统一的状态下共同完成信息传递的技术路线。

3.2 面向通感融合的信道建模研究

在传统通信系统信道建模中，默认情况下通信信道建模方法主要可分为基于统计特性的信道模型、基于确定性的信道模型以及半基于确定性的信道模型三类。目前业界广泛采用的3GPP标准化建模方法属于基于统计特性的信道冲激响应建模法，在该方法下对多条子径的角度、时延和功率信息等进行建模分析。该种方式不仅适用于传统的通信场景下的信道建模工作，在实际应用中还能够满足感知业务场景的需求，在已有的通信信道标准化建模方法基础上进行针对性改进以构建通感信道建模方法是较为合理的选择方案之一。具体的优化方向与感知业务对高质量的接入特性要求密切相关，并包含以下几大方面的改进需求：一是支持多种不同的感知模式；二是明确感知目标；三是增补相关参数信息；四是建立多目标协同处理机制以实现整体性能提升。

在场景配置方面

3.3 面向通感融合的帧结构研究

在感知系统中与通信不同的是它要求发送与接收的数据必须同步且连续进行；只有当这样的条件得到满足时才可能保证感知质量为此在现有通信框架下开展融合研究将是必要的目标；随着技术的发展与应用需求的变化这一目标也将不断演变

3.4 面向通感融合的天线及波束赋形技术研究

超大规模天线可被视为6G技术体系中的重点研究领域。通过优化空间资源利用效率，在回顾无线通信技术和无线电传感的发展历程后可知,MIMO技术在其体系构建中发挥了关键作用。该技术通过拓展资源利用范围,显著提升了通信速率和空间感知能力。毫无疑问,MIMO技术将在智能感知架构（ISAC）中占据核心地位。然而,该技术的本质特性也带来了系统开销和计算复杂度方面的挑战。现有文献[16]提出了三种新型ISAC MIMO模型,包括协同MIMO、动态3D MIMO以及联合主动与被动集成的新型MIMO模型,这些创新性研究为通感融合提供了新的探索方向,同时也为后续研究工作留下了较大的理论发展空间。

4 结束语

通信和感知的融合或一体化是典型的6G技术，在5G-A阶段具备先行先试的优势。这一过程既是一个循序渐进的发展阶段，在6G技术研发初期需要深入探索典型应用场景，并系统地构建架构体系及评估指标体系等基础支撑技术。本文提出了若干研究方向，在此基础上还计划从理论分析、实物实验与仿真模拟等多个维度展开更加深入的研究工作。