2023通感一体化系统架构与关键技术白皮书

1 通感一体化业务与性能指标

1.1 通感一体化业务分类

• 根据通信与感知的相互关系
  • 通信辅助感知类业务：通信的参考信号作为感知信号，实现目标定位、测速、手势识别等业务——高速可靠的通信能力为感知数据的汇聚提供保障，能够进一步提高感知精度和感知分辨率
  • 感知辅助通信类业务：通过无线感知技术对无线通信环境及通信节点进行探测肝组织，可获得环境地图、通信节点位置、移动速度等多种先验信息，运用感知信息及感知结果，辅助通信系统对信道估计、均衡、波束管理等模块进行算法选择、算法参数设置及算法优化
• 根据业务应用范围

  • 广域：面向开放式的空间范围内的业务，通常关注远距离宏观感知参数
    

  • 局域：面向封闭式的空间范围内的业务，通常关注近距离微观高感知
    

1.2 感知内容

• 感知测量数据的处理方式：
  • 检测类：基于感知测量数据对被感知物体的状态做出二元 / 多元的判断，状态通常包括目标存在与否或事件是否发生等，例如入侵检测、车辆 / 行人 / 无人机检测等
  • 估计类：基于感知测量数据对被感知物体的参数（包括距离、速度、角度、位置等）进行估计，估计性能可以通过均方误差来衡量
  • 识别类：指基于感知测量数据识别被感知目标是什么，可包括目标识别，以及人类活动 / 事件识别等，其性能由识别准确率来评估
• 感知目标属性：是否安装有信号收、发设备

1.3 通感一体化业务的性能指标

1.4 通感一体化典型业务

• 智慧交通：

  • 集成车联网、自动驾驶、高精度地图构建等技术为一体
  • 通信方面，需要超低时延、高数据速率；感知方面，要求对道路环境本身以及实时动态的车辆行人信息进行感知探测
  • 过对多车环境感知数据的共享，道路上的驾驶员可以获得其当前位置以及自身视野之外的空间信息，克服恶劣环境下的视线盲区，并在此基础上执行导航和路径规划

• 无人机监管/路径管理：

  • 大量的无人机被应用于农业灌溉，应急通信和抢险救灾等垂直行业中——体积小、全天候、全空域的特点
  • 无人机监管(包括无人机入侵检测)：全天候地探测、跟踪规定区域内的无人机设备，当发现有未许可无人机接近或进入规定区域时，发出警告或进行驱赶；并不需要过高的感知精度要求——无需对入侵无人机的数量进行精准估计
  • 无人机路径管理 ： 利用无人机与基站实现无人机工作环境的感知，并将工作环境的感知结果（如障碍物的位置和形状，无人机的位置和飞行速度等）上报给数据处理中心，并利用数据处理中心强大的计算能力，及时发现飞行路径上的障碍物，及时统筹规划更新无人机或无人机集群的飞行路径，实现无人机的避障与路径管理；感知数据的传输速率要求高——实时性

• 智能工厂：

  • 将无线感知功能部署在基站侧，通过基站发送通感信号对目标货物 / 机器人进行位置、形态、速度等进行感知，可以有效实现对厂区环境的实时监控，对目标器件 / 货物 / 机器人的持续追踪等任务
  • 将无线感知功能部署在终端侧，通过机器人 / 智能终端发送通感信号对相邻货物以及周围环境等进行感知，可以实现厂区内物品接近检测，有效避免碰撞发生，此外，还可实现路径规划、手势识别等业务

• 生命体征监测：

  • 利用无线信号检测，通过对接收到的无线信号的分析获取信道状态信息，进而能够得到呼吸以及心跳的特征信息
  • 由于无线信号在绝大部分场景中广泛存在，该方式具有无接触、低成本的优点
  • 主要是对呼吸或心跳引起的微多普勒特征进行检测

• 手势/动作识别：

  • 利用无线感知技术进行手势 / 动作识别主要依靠对手势或动作带来的微多普勒特征进行识别
  • 基于无线信号的行为感知方法，具有实现成本低、部署过程便捷和无需携带设备等优势，并且能够在各种应用环境中进行部署，不受光照条的影响，相较于传统方法感知范围大幅提升，用户无需担心隐私受到侵犯，甚至在有部分遮挡的情况下也可以进行有效识别

• 入侵检测：

  • 利用无线感知技术进行入侵检测主要是检测信道信息的变化
  • 基于无线通信信号的入侵检测技术，利用了无线通信信号覆盖广，不受光照条件影响，且无线通信设备分布广的特点，具有全天候、覆盖广的优势
  • 由于不需要专门安装监视器，或者专用传感器，也降低了使用成本
  • 利用无线通信信号进行入侵检测，相比于基于视觉的检测方式能够保护用户隐私不受侵犯，降低隐私泄露可能性

• 天气监测：

  • 利用无线感知技术进行天气监测主要是通过测量通信链路中的信号链路衰减，进而利用信号链路衰减与天气指标之间的关系得到对应的天气情况
  • 利用已有的移动通信网络进行天气监测无需额外部署硬件、具有较大的成本优势
  • 具有传感器数量大、空间分布广泛、降雨监测的时间和空间分辨率高、可检测降雨分布等优势

2 通感一体化主要标准组织的进展

2.1 绍 ITU（International Telecommunication Union， 国 际 电 信 联 盟）

2.1.1 IMT-2030

• 架构和总体目标报告：
  • 未来无线系统中的感知与通信融合，将提供成像、mapping、定位等超出通信的能力，提供高分辨率和准确度的目标检测，识别和范围 / 角度 / 速度估计
  • 可以在系统设计里融合定位、 感知、 和成像功能
  • 感知是physical world, biological world 和 cyber world 融合的一个关键使能，实现从物联到智联
• 技术趋势报告：
  • 通感融合作为几个新兴技术趋势和使能技术之一，其他技术趋势包括 AI 内生通信，算网融合架构，D2D 通信，有效频谱使用（频谱共享，超宽频谱），高能效低能耗，实时业务和通信，可信通信等
  • 在未来的通信系统中，通过新功能的支持，例如可能使用更高频谱（例如从毫米波到太赫兹）、更宽的带宽、更密集的部署、更大的天线阵列，以及人工智能和通信节点 / 设备之间的协作，感知将成为与通信系统集成的新功能，以实现具有更高精度的创新服务和解决方案
  • 将通信和感知系统之间的交互级别分类：
    • 共存：感知和通信在物理上分离的硬件上运行，使用相同或不同的频谱资源并且不共享任何信息，彼此视为干扰
    • 合作：两个系统在物理上分离的硬件上运行，而信息可以相互共享（例如，感知 / 通信的先验知识可以共享，减少系统间干扰或在某些情况下增强另一个系统）
    • 集成设计：两个系统被设计为一个单一系统，在频谱使用、硬件、无线资源管理、空中接口以及信号传输和处理等方面具有信息共享和联合设计——重点
  • 通信和感知系统集成设计阶段：从松散耦合到完全集成
    • 起点：通信和感知系统共享频谱和硬件等资源——通信和感知可以作为一个系统实现，同时服务于两种业务形式——在感知和通信模块之间开发高效的调度和协调算法，以尽量减少彼此之间的干扰，是一个关键的研究问题
    • 进一步：通信和感知将协同工作，以提高单个系统的性能——潜在方向包括基于联合波形的空中接口设计、统一波束成形方案等
    • 成熟阶段：通信和感知将在频谱、硬件、信令、协议、组网等所有可能的维度进行协调和协作，实现互利共赢——统进一步结合 AI、网络协作和多节点协同感知等技术，将有利于整个系统增强相互性能，控制总体成本、尺寸和功耗

2.1.2 中 国 IMT-2020 推 进 组 和IMT-2030 推 进 组

• 通信感知一体化技术报告：组将通信感知融合和 AI 共同作为 5G 到 6G 演进的关键因素
  • 关键技术：空口技术、信号处理技术、网络架构与组网设计、硬件架构与设计、协同感知
  • 通感融合阶段：业务共存，能力互助，网络互惠
    

2.1.3 Next G Alliance

• 6G 技术报告:
  • 4 类发挥关键作用的用例:
    • 网络支持的机器人和自主系统（Network Enabled Robotics and Autonomous Systems）:使用全球定位系统 （GPS）、光探测和测距 （LiDAR）、声纳、雷达和测程法等传感器感知周围环境
    • 多感官扩展现实实（Multi-sensory XR）：包括虚拟现实 VR 和增强现实 AR 等
    • 分布式感知和通信（Distributed Sensing and Communications）：包括与通信紧密集成以支持自主系统的传感器
    • 个性化用户体验：基于用户个人资料和上下文信息（例如，用户的偏好、趋势和生物识别）对设备、网络、产品和服务进行实时、全自动和安全的个性化
  • Joint Communications and Sensing（JCAS）：
    • 研究领域：感知与通信性能的 trade-off 研究与评估，感知信道建模，波形波束成形设计，感知与通信功能之间的共存、协作与协同设计，资源分配，协同感知，JCAS 产生的硬件要求，杂波抑制，UE 定向，多雷达联合处理，基于 AI/ML 的感知融合，全双工无线电等
    • 挑战：
      • 在不同的通信和感知性能 trade-off 下运行的灵活设计。波形、波束成形设计、资源复用是这一挑战的核心
      • 要在感知和通信功能的 QoS 之间进行权衡
      • 感知节点之间的同步
      • 干扰管理：要考虑通信系统间的干扰和感知系统间的干扰外，还要考虑跨功能干扰管理，即通信系统和感知系统间的干扰

2.1.4 ETSI

• Technology Radar （ETR）
  • ICT 中技术趋势：
    • 原来十个：5G 演进、人工智能、自治网络、网络安全、Distributed Ledgers、动态数据、扩展现实、物联网、量子、自治系统
    • 2022年新增：通感一体化、光子学、（亚）太赫兹和太赫兹通信、Reconfigurable Intelligence Surface (RIS，智能超表面 )、光无线通信、非陆地网络、智能分布式 EDGE、高性能计算机、可持续性（Sustainability）

2.1.5 Hexa-X

Hexa-X 和后续阶段 Hexa-X-II 是由欧盟赞助的旗舰项目，旨在开发 B5G/ 6G 愿景以及连接人类、物理和数字世界的智能架构，为 6G 的行业共识奠定基础并做出贡献

• 将通信 / 定位 / 成像 / 感知的融合（Convergence of communications, localization, imaging and sensing）作为未来连接技术趋势之一：
  • 未来的网络将集成高精度定位（具有厘米级精度），感知（类似雷达和非类似雷达）和成像（毫米级）功能——要开发新算法以共同优化通信、感知和 / 或定位的共同优化
• 将计算，AI，安全，感知，定位都视为服务：
  • 感知服务 sensing-as-a-service (SaaS) 被认为将影响 6G 架构，包括服务化架构
  • 定位和感知应该被设计为基本功能或微服务，需要考虑开放框架、安全、低时延、QoS 等多个问题——下一代 E2E 网络架构设计中，需要考虑仅通信、仅感知、通信感知定位联合这三种能力的灵活切换和优先级

2.1.6 IEEE

• 任 务 组 802.11bf task group
  • WLAN sensing ：主要指的是具备 WLAN 感知能力的站点，接收 WLAN 信号以检测环境中目标对象的特征：
    • 环境：括房间，房屋，车辆，公司等
    • 特征：范围，速度，角度，动作，存在或接近，姿态等
  • 将定义对 IEEE 802.11 MAC 层以及
    Directional Multi Gigabit (DMG) 和 enhanced DMG (EDMG) PHY 层的修改，以增强 1 GHz 至 7.125 GHz 以 及 45 GHz 以上免许可频段的 WLAN sensing，使能站点通知其他站点其 WLAN sensing 能力，请求和设置传输以便执行 WLAN sensing 测量，交换 WLAN sensing 反馈和信息
  • WLAN sensing 用例 :房屋内感知，手势识别，健康监护，3D 视角，汽车内感知等
  • WLAN sensing 信道模型
  • 参考天线模型
  • WLAN sensing 物理层性能评估标准和链路级仿真场景

2.1.7 3GPP

• Integrated sensing and communication (ISAC):
  • 多个 ISAC 用例:住宅入侵检测，高速公路和铁路入侵检测，无人机入侵检测，无人机轨 迹跟踪和冲突避免，自动驾驶和导航感知辅助，沿途交通管理，工厂 AGV 检测跟踪，工厂 AMR 冲突避免，睡眠监测，健康监测，无缝 XR 流等
  • 考虑感知的机密性、完整性和可用性，在部署中要考虑感知的隐私问题
  • 5GS 中的感知操作应支持商业服务（例如驾驶辅助），关键任务服务（例如公共安全，公用事业，铁路）和其他具有优先处理要求的优先服务（例如 MPS）

3 通感一体化系统架构

3.1 通感融合发展层级

• 业务层融合： 无线移动通信系统仅作为第三方感知服务的数据传输通道，其本身不提供感知服务——第三方感知服务是指无线移动通信系统之外的其他系统提供的感知服务，包括基于雷达、摄像头等提供的服务
• 服务层融合：未来无线移动通信系统将基于第三方感知单元、通信单元以及未来通感一体化单元获得的感知数据和通信数据形成面向应用的内生感知服务
  • 第三方感知单元：包括雷达、摄像头等
  • 涉及 6G 系统架构中服务层和功能层的改动，未来研究需考虑感知服务接口的定义、感知控制和感知数据处理流程等
  • 可以提升 6G 系统的服务能力，为未来 6G 系统商用提供创造更多新型应用的可能性
  • 可以提供用于辅助通信性能提升的感知服务
• 空口融合：未来无线移动通信系统将基于空口层面的通信感知一体化单元获得的感知数据形成内生感知服务
  • 通信感知一体化单元基于感知信号和通感一体化信号的发送和接收获得感知数据
  • 通感一体化信号是同时用于感知和通信的无线信号
  • 涉及 6G 系统架构中功能层和资源层的改动，未来研究需考虑空口信号设计、频谱资源共享和一体化硬件设计
  • 带来频谱效率提升、成本节约、功耗降低和信息处理效率提升等诸多优势

3.2 感知服务参考模型

• 感知服务客户端：可以是通感一体化系统外的实体，也可以是通感一体化系统内部的实体（例如，终端、核心网中的一个网络功能）

• 感知服务器：由通感一体化系统实现，基于现有无线移动通信系统的架构，其包含核心网、无线接入网和终端

  • 通感一体化单元：通过测量系统内部配置的感知信号获得感知数据，感知信号包括专用于感知的信号以及同时用于感知和通信的信号
  • 第三方感知单元：获得感知数据所使用的技术不在通感一体化系统的研究范围内

• 感知服务需求：

  • 感知服务器能够向感知服务客户端提供感知对象的感知信息
  • 感知服务质量保证：时延、精度、感知范围、检测虚警率等
  • 安全隐私检查：一方面需要保证感知对象允许被感知，感知服务客户端有权要求提供感知对象的感知信息。另一方面需要保障感知服务端到端流程的安全和认证，避免攻击或篡改等
  • 计费：通信感知一体化商业的重要组成部分，潜在的内容包括计费对象、计费标准和计费方案

3.3 感知功能

• 资源层：在功能层的控制下执行物理感知过程，并向功能层提供感知底层数据
• 功能层：根据服务层的感知请求，控制资源层执行物理感知过程，并基于资源层获得的感知底层数据得到最终感知信息，并提供给服务层
• 服务层：接收感知客户端的感知请求，进行安全隐私检查，通知功能层提供感知信息，并向感知客户端响应感知信息，实现服务层通感融合

3.3.1 感知服务流程

• 感知任务管理功能实体确定感知方法、感知节点等
• 感知资源调度：通过通感一体化单元获得感知数据——进行感知信号发送、接收和测量

3.3.2 感知功能分配

感知服务的各个功能在通感一体化系统中的分配、组织和接口是架构研究的另一个重点

• 资源层功能的分配考虑与传统通信资源层的网元共享设备和器件，从而节约成本
• 资源层功能的分配考虑与传统通信资源层的网元共享设备和器件，从而节约成本
• 是各个功能独立分配到不同的网元还是分配到同一个网元需要综合考虑接口交互时延、灵活弹性组织等因素的权衡

3.4 感知方式

4 通感一体化空口关键技术