沈 杰 楊 立 韓志強 夏樹強 謝 峰

1 中國電信股份有限公司 南寧 530000

2 中興通訊股份有限公司 深圳 518057

3 移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點實驗室 深圳 518057

引言

隨著2022年“第三代合作伙伴項目”(3GPP)Rel-17標準版本功能的完成[1]，5G-NR移動系統(tǒng)的標準化繼續(xù)朝著Rel-18演進，進入到5G-Advanced(簡稱5G-A)階段。5G-A基于5GS現(xiàn)有的架構(gòu)功能，繼續(xù)平滑地拓展和增強演進，旨在更高效地支持面向ToC/ToB眾多行業(yè)領(lǐng)域的新場景和新用例[2]，例如，在FR2高頻段的無線覆蓋增強，大上行吞吐率傳輸，超低時延大帶寬傳輸，超高精度定位等方面[3]。

在5G-A階段之前，5G-NR移動系統(tǒng)除了能提供高質(zhì)量的通信業(yè)務(wù)和服務(wù)之外，其實在“網(wǎng)絡(luò)感知技術(shù)”方面(標準化了多種終端定位，“網(wǎng)絡(luò)最小化路測/用戶業(yè)務(wù)體驗”測量和評估等功能)，都已有較成熟的方案和產(chǎn)品化成果[4-5]。5G-NR系統(tǒng)的上述感知操作，都只是針對有電子通信感知能力的終端UE(即可和5G-NR網(wǎng)絡(luò)側(cè)進行通信配合)，而在標準化層面上，5G-NR網(wǎng)絡(luò)和終端UE并不能對一般的自然界目標物體或環(huán)境進行無線感知或收集相關(guān)信息，即無法支持更豐富的無線感知內(nèi)容。

隨著2020年“美國電氣及電子工程師學(xué)會”IEEE成立了802.11bf新通感工作組[6]，它旨在開發(fā)實現(xiàn)如何基于WLAN制式信號進行無線環(huán)境類感知，3GPP業(yè)界也隨之更多地開始關(guān)注如何基于5G-NR制式信號和5GS系統(tǒng)，利用基站(gNB)和終端(UE)，對一般的自然界目標物體和環(huán)境進行泛無線感知，從而它既可輔助優(yōu)化5G-A系統(tǒng)自身的通信業(yè)務(wù)性能，又可對外開放提供感知類新業(yè)務(wù)服務(wù)。

所謂“通感一體化”或“通感融合”的說法逐漸地興起流行，它在學(xué)術(shù)界工業(yè)界已被廣泛地使用[7-9]?！巴ㄐ拧焙汀案兄北緦儆诓煌募夹g(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，各自理論技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用非常豐富包羅萬象，因此“通感一體化/融合”此類說法，其實顯得非?；\統(tǒng)和含糊(到底是哪類通？哪類感？什么融合？)，它本身涉及到非常宏大的技術(shù)體系和多模態(tài)范式。至今，“通感一體化/融合”的具體定義內(nèi)涵，在業(yè)界一直都沒有統(tǒng)一確切的規(guī)范化描述，于是導(dǎo)致各行各業(yè)相關(guān)研討中的話題內(nèi)容發(fā)散、論述基線有分歧和表達描述不對齊等。為了解決上述發(fā)散、困惑和不對齊，盡量統(tǒng)一話語體系，本文將重點論述“通感一體化/融合”的具體內(nèi)涵，并建議一套通感融合等級的評估體系和相關(guān)支撐關(guān)鍵技術(shù)?；谠擉w系，業(yè)界有望進一步統(tǒng)一認知，對通感融合等級程度進行統(tǒng)一的度量判定和評價。

1 通感融合的內(nèi)涵解析

本文暫且先認為“一體化”和“融合”是同義詞，即下文只暫用“通感融合”統(tǒng)一說法。我們建議先分別清晰界定“通”“感”和“融合”三個詞各自的具體內(nèi)涵及三個詞的組合內(nèi)涵。

1.1 “通”的內(nèi)涵

這里的“通”可局限在基于電磁波的無線通信系統(tǒng)，工作頻段可包含無線中低頻毫米波、太赫茲和可見光，但不包含基于機械波、引力波、物質(zhì)波等的潛在無線通信方式。電磁波無線通信類型大致可分為：蜂窩制式下的單節(jié)點通信(單gNB服務(wù)UE)[4]，蜂窩制式下的多節(jié)點協(xié)作通信(雙gNB雙連接服務(wù)UE)[10]，非蜂窩式下的單節(jié)點通信(WLAN 單AP服務(wù)STA)[11]，非蜂窩式下的多節(jié)點協(xié)作通信(Mesh自組網(wǎng)中繼傳輸服務(wù)等)[12]。上述不同類型的電磁波無線通信系統(tǒng)有著不同的工作頻段、系統(tǒng)架構(gòu)和傳輸機制，分別適用于不同的通信場景用例等。3GPP、IEEE或其它通信產(chǎn)業(yè)圈各自領(lǐng)域的“通”，它們之間有著較大的差異性，這為“通感融合”帶來完全不同的“通”的前提基礎(chǔ)，進而導(dǎo)致后續(xù)“通感融合”相關(guān)技術(shù)研發(fā)思路和未來典型應(yīng)用方面都有所差異。

中國IMT-2020&2030推進組，實際主要聚焦于3GPP移動系統(tǒng)生態(tài)體系及其技術(shù)發(fā)展路線。因此，從未來“通感融合”實際可應(yīng)用的廣度、深度和商業(yè)價值角度看，通感融合中的“通”主要重點是指：以3GPP為代表的無線移動系統(tǒng)，它包括：5G-A/6G網(wǎng)絡(luò)和終端兩大方面。

1.2 “感”的內(nèi)涵

這里的“感”可局限在基于電磁波的無線感知系統(tǒng)，工作頻段也可包含無線中低頻、毫米波、太赫茲和可見光，但不包含基于機械波等方式的無線感知(例如超聲波雷達)。電磁波無線感知按照其感知任務(wù)類型大致可分為：業(yè)務(wù)信息感知、用戶信息感知、系統(tǒng)信息感知、雷達探測感知、雷達定位測速、對象識別檢測、環(huán)境感知繪圖、無線感知成像等[8-9]。上述不同類型的無線感知任務(wù)也會對應(yīng)著不同的工作頻段和感知系統(tǒng)架構(gòu)功能，適用于不同的感知場景用例。通信產(chǎn)業(yè)圈和傳統(tǒng)感知產(chǎn)業(yè)圈(例如，電磁雷達、無線傳感網(wǎng)等)領(lǐng)域各自的“感”，它們之間也有著較大的差異性，會為“通感融合”帶來完全不同的“感”的前提基礎(chǔ)，進而導(dǎo)致后續(xù)“通感融合”技術(shù)研發(fā)思路和未來典型應(yīng)用方面也都有所差異。

以電磁雷達為代表的無線感知系統(tǒng)，憑借其眾多的類型功能和廣泛的軍民應(yīng)用度，已成為全球最重要的無線感知基礎(chǔ)設(shè)施裝備[13-15]。電磁雷達系統(tǒng)可面向各類物質(zhì)、物體進行多維度的感知測量和識別，并不需要目標對象具備任何的電子通信能力。因此，從未來“通感融合”實際可應(yīng)用的廣度、深度和商業(yè)價值角度看，通感融合中的“感”主要重點是指：基于或仿造電磁雷達系統(tǒng)所實現(xiàn)的廣義空口無線感知，它包括主動式回波感知、被動式電磁感知和基于無線數(shù)據(jù)傳輸感知等幾大類方式[8]。

1.3 “融合”的內(nèi)涵

“通感融合”中的“融合”主要重點指：電磁無線系統(tǒng)中的各種資源(頻譜、算力、連接等)，功能(管理、控制、調(diào)度等)和信息(狀態(tài)、策略、配置、數(shù)據(jù)等)三大維度要素，能在通感業(yè)務(wù)之間分別實現(xiàn)不同程度的復(fù)用共享，關(guān)聯(lián)耦合和互助互惠，以實現(xiàn)有機深層次地協(xié)同協(xié)作。因此，“融合”其實不是一個終極靜態(tài)狀況的描述，而是對應(yīng)著不同等級程度和動態(tài)趨勢的描述。我們建議定義并引入“通感融合(方案)等級評估體系”，以此統(tǒng)一地去度量判定各種不同通感融合方案的融合具體程度。

如圖1所示，為了避免內(nèi)容發(fā)散且前提不一致，當業(yè)界探討“通感融合”，它首先應(yīng)先被具體化為：“哪種具體的無線通信類型方式”和“哪種具體的無線感知類型方式”在“哪種等級程度上的融合”這三個基本問題。只有當這三個問題答案先是明確的，“通感融合”的具體內(nèi)涵才是確定的，進而各種不同的通感融合方案之間才能有可比性；否則不同的通信類型或感知任務(wù)所對應(yīng)的不同通感融合方案，它們之間根本無法直接比較。如圖2所示，以單個5G gNB基站(確定了通信類型)去完成無線電環(huán)境成像(確定了感知任務(wù))為例，它可有多種不同等級程度的通感融合方案。例如，程度1：gNB可利用當前用于通信的同一套毫米波射頻基帶模塊和該毫米波相同頻段同時實現(xiàn)無線感知成像(圖2(a))；程度2：gNB利用當前用于通信的同一套毫米波射頻基帶但不同的毫米波頻段獨立實現(xiàn)無線感知成像(圖2(b))；程度3：gNB利用兩套獨立的毫米波射頻基帶模塊和不同的毫米波頻段獨立實現(xiàn)無線感知成像(圖2(c))。

圖1 “通感融合”三個基本問題

圖2 “基于5G gNB通感融合”三種不同融合程度的方案示意

因此，不同類別的“通”，不同類別的“感”和不同的“融合(等級程度)”三者之間，會有很多“通感融合”的有效組合，而每個組合對應(yīng)于特定的通感融合工作場景用例、問題分析對象和技術(shù)實現(xiàn)方案等，因此它們會帶來大量的業(yè)界發(fā)散研討和標準化研發(fā)工作；這其中某些通感融合組合可能是冗余且低價值的，而即使在同一種通感融合組合下，也會有多種不同的融合實現(xiàn)解決方案。反之，只有當通感融合有效組合的前提基礎(chǔ)相同(即上述三個基本問題確定)，不同融合方案之間才具備直接的可比性，它們各自的技術(shù)復(fù)雜優(yōu)劣性和綜合性能比較，才能更公平且有意義。總之，“通感融合等級評估體系”可分級式地區(qū)分開不同的通感融合實現(xiàn)方案，以適配滿足特定的通感融合場景用例KPI目標性能要求。

2 通感融合等級評估體系

2.1 通感融合三維度要素

無線通感融合至少要涉及到“資源”“功能”“信息”三大維度要素。根據(jù)CCSA TC5 WG6相關(guān)研究報告的工作進展[9]，從其中引用的圖3僅顯示了在“資源”和“功能”一體化兩方面的初步考慮，但該圖的劃分邏輯仍然比較模糊且缺乏細分考慮。

圖3 CCSA TC5 WG6無線通感融合方式

根據(jù)IMT-2030相關(guān)研究報告最新進展[8]，在通感一體化的技術(shù)發(fā)展過程中，通信與感知可分階段、分層次地融合演進，主要包括：“業(yè)務(wù)共存、能力互助、網(wǎng)絡(luò)共惠”三個階段。這三個發(fā)展階段和通感融合“資源”“功能”“信息”三大要素之間的關(guān)系，也并未被深入分析闡述，業(yè)界還是存在大量的困惑和理解不一致。因此，針對通感融合等級(程度)和其發(fā)展階段類的關(guān)鍵問題，我們需進一步研討論述，以期待收斂統(tǒng)一業(yè)界理解。

三維度要素1“資源”包含：“系統(tǒng)硬件”(例如系統(tǒng)設(shè)備、算力存儲、網(wǎng)絡(luò)連接、基帶芯片、射頻天線等)、“系統(tǒng)軟件”(例如上層應(yīng)用、協(xié)議棧、功能算法、信號處理流程等)、“頻譜功率”(例如各個電磁工作頻段、發(fā)射功率、空口幀結(jié)構(gòu)波形等)三大類?！巴ǜ腥诤稀币粋€重要方面就體現(xiàn)在：對上述三大類“資源”的復(fù)用共享，相對而言，從“系統(tǒng)硬件”到“系統(tǒng)軟件”再到“頻譜功率”融合程度會逐步加深。以一個極端為例，某通感融合系統(tǒng)A僅僅實現(xiàn)了“系統(tǒng)設(shè)備”級別一體化的物理集成(就像智能手機集成了相機功能)，和通感業(yè)務(wù)“上層應(yīng)用”的邏輯集成，但通感業(yè)務(wù)各自工作在不同的頻段帶寬上(就像通信用著1.8GHz，而拍照用著可見光頻段)，那么該通感融合系統(tǒng)A在“資源”方面的融合度相對就較低；而作為另一個極端例子，某通感融合系統(tǒng)B進一步實現(xiàn)了“基帶射頻”級別一體化的物理集成，和通感業(yè)務(wù)“信號處理流程”的邏輯集成，且通感業(yè)務(wù)都工作在相同的頻段帶寬上(基于相同的空口幀結(jié)構(gòu)波形)，那么該通感融合系統(tǒng)B在“資源”方面的融合度就很高，因為它實現(xiàn)了更大程度的資源復(fù)用共享操作和增益。

三維度要素2“功能”包括：“管理”“編排”“評估”“控制”“調(diào)度”“執(zhí)行”等基本功能方面?！巴ǜ腥诤稀绷硪粋€重要方面就體現(xiàn)在：對上述“功能”的通感聯(lián)合設(shè)計和關(guān)聯(lián)耦合操作，相對而言，從上述的“管理”基本功能依次到最后的“執(zhí)行”功能融合程度會逐步加深。以一個極端情況為例，某通感融合系統(tǒng)A僅僅實現(xiàn)了在“管理”“編排”功能方面的耦合聯(lián)合操作(例如，統(tǒng)一的管編范式和操控界面)，那么該通感融合系統(tǒng)A在“功能”方面的融合度相對就較低；而作為另外一個極端例子，某通感融合系統(tǒng)B進一步實現(xiàn)了在“調(diào)度”“執(zhí)行”基本功能方面的緊耦合關(guān)聯(lián)操作(例如，統(tǒng)一的控制信令流程和空口時頻功率資源分配指示等)，那么該通感融合系統(tǒng)B在“功能”方面的融合度就較高，因為它實現(xiàn)了更緊耦合的功能關(guān)聯(lián)設(shè)計操作。

三維度要素3“信息”包括：“業(yè)務(wù)/應(yīng)用信息”“用戶/目標感知信息”“系統(tǒng)運行信息”等方面?！巴ǜ腥诤稀绷硪粋€重要方面還體現(xiàn)在：對上述各種“信息”流轉(zhuǎn)融合、互助互惠的利用，相對而言，從上述的“業(yè)務(wù)/應(yīng)用信息”到最后的“系統(tǒng)運行信息”融合程度會逐步加深。舉一個極端例子，某通感融合系統(tǒng)A僅僅實現(xiàn)了在“業(yè)務(wù)/應(yīng)用信息”方面的融合協(xié)同參考(例如，通感業(yè)務(wù)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)匯聚融合共享)，那么該通感融合系統(tǒng)A在“信息”方面的融合度相對就較低；而作為另外一個極端例子，某通感融合系統(tǒng)B進一步實現(xiàn)了“系統(tǒng)運行信息(例如，功能狀態(tài)、業(yè)務(wù)策略、參數(shù)配置等)”方面的協(xié)同參考互助(例如，基于協(xié)議棧的數(shù)據(jù)流更快地流轉(zhuǎn)共享相關(guān)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù))，那么該通感融合系統(tǒng)B在“信息”方面的融合度就較高，因為它實現(xiàn)了更快、更動態(tài)、更全面的系統(tǒng)信息協(xié)同和互助互惠操作和增益。

基于“資源”“功能”“信息”三要素的通感融合低中高程度示意如圖4所示。圖4中每個要素維度中的“低”“中”“高”說明示意，它們之間邊界并沒有絕對性，并存在部分內(nèi)容重疊。另外，圖4中暫時羅列的典型條目，也沒有完全遍歷覆蓋移動系統(tǒng)中“資源”“功能”“信息”的所有條目方面，但任何和“資源”“功能”“信息”相關(guān)的具體條目，都能被放在該圖坐標中合適的相對位置?！百Y源”“功能”“信息”三要素之間的關(guān)系，也不是彼此完全獨立的，它們之間也存在一定的邏輯關(guān)聯(lián)性，因此在三要素融合程度上，盡量要能做到各要素的“齊頭并進”，即“低低低”“中中中”“高高高”式樣的搭配。例如，為了實現(xiàn)“資源”方面“頻譜功率”的最大化復(fù)用共享，就需要在“功能”方面也同時實現(xiàn)通感業(yè)務(wù)功能之間緊耦合和深度協(xié)同調(diào)度執(zhí)行，同時在“信息”方面也要同時實現(xiàn)“系統(tǒng)運行狀態(tài)信息”的深度協(xié)同互惠。反之，如果“資源”“功能”“信息”三要素之間，出現(xiàn)了“高中低”式樣的不對齊混搭，則會負面影響到通感融合具體技術(shù)方案的KPI效能，導(dǎo)致可能無法滿足特定場景用例的需求。

圖4 通感融合“三維度要素”低中高不同程度融合示意

2.2 通感融合等級體系定義

基于上述分析論述，我們給出下列“通感融合等級體系”表的定義建議。通感融合等級從高到低依次如下，并概括在表1中。在“資源”“功能”“信息”三要素方面，等級1全部都實現(xiàn)了高等級的融合利用，等級2部分地實現(xiàn)了高等級的融合利用，等級3全部都實現(xiàn)了中等級的融合利用，等級4部分地實現(xiàn)了中等級的融合利用，等級5全部都實現(xiàn)了低等級的融合利用，等級6部分地實現(xiàn)了低等級的融合利用。

表1 通感融合等級體系定義(建議)

當某通感融合方案只滿足某個等級“部分地實現(xiàn)”的時候，可采取“就高認定”原則。例如，融合方案A能支持等級4和等級2，卻不能支持等級3，融合方案A仍可被認定為達到了等級2。針對融合等級1、3、5中所要求的“全部實現(xiàn)”，由于當前“資源”“功能”“信息”三要素中枚舉的內(nèi)容條目并不完全遍歷或完備(后續(xù)還需進一步細化補充澄清)，章節(jié)2.1僅先做出了定義范式方面的建議，通感融合等級1、3、5的確切認定，還需進一步研究深化和對比應(yīng)驗。相比之下，通感融合等級2、4、6的“部分地實現(xiàn)”定義建議，則具備很大的靈活性，評估認定適用的區(qū)間相當寬泛，即只要能實現(xiàn)滿足“資源”“功能”“信息”三要素之一的某個等級即可達標。

2.3 實現(xiàn)通感融合更高等級的技術(shù)挑戰(zhàn)

6G移動新系統(tǒng)將進一步面向“更高的工作頻段”(毫米波、太赫茲)、“更廣更深的覆蓋”(空天地一體化)、“更廣更豐富的感知”(泛在感知)進行新系統(tǒng)架構(gòu)、流模型、功能層面的重構(gòu)設(shè)計[16-18]，從而為原生的6G通感融合奠定更強大的基礎(chǔ)條件。6G新系統(tǒng)為了能實現(xiàn)更高等級的通感融合，還需克服解決下列關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

1)通感融合基礎(chǔ)理論：通過對通信感知一體化信息論層面的研究，進一步揭示通感融合信息論本質(zhì)。與傳統(tǒng)的香農(nóng)信息論不同的是：感知能力會為移動系統(tǒng)引入不同的性能指標和理論極限，需在此基礎(chǔ)上構(gòu)建新的通感融合信息論模型，探索兩者最佳的聯(lián)合性能邊界和互相權(quán)衡方式[19-20]。

2)通感融合聯(lián)合信號處理：具體包括融合幀結(jié)構(gòu)和波形設(shè)計、聯(lián)合發(fā)射波束賦形、聯(lián)合信號接收、無線干擾管理等。從功能優(yōu)先級的角度看，可將融合聯(lián)合信號處理分為以感知為主的融合設(shè)計、以通信為主的融合設(shè)計和兩者聯(lián)合加權(quán)最優(yōu)的融合設(shè)計3大類型[21-22]。由于傳統(tǒng)移動系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)之間的顯著差異，這三類融合設(shè)計面臨的問題有很大不同。在前兩類中，設(shè)計研究的重點是如何基于以通信(雷達)系統(tǒng)的主流信號格式為主，在不顯著影響主系統(tǒng)的前提下實現(xiàn)輔助的雷達(通信)功能。最后一類需考慮信號波形、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的聯(lián)合設(shè)計優(yōu)化，在通信和雷達能力之間實現(xiàn)靈活權(quán)衡。

3)通感融合系統(tǒng)架構(gòu)和協(xié)議棧聯(lián)合設(shè)計：以雷達感知為例，一般分為脈沖式和連續(xù)波雷達，而通信則采用時分或頻分等雙工方式。解決通感融合系統(tǒng)的全雙工操作是一項潛在挑戰(zhàn)，而全雙工操作對于目前移動通信來說仍然不夠成熟，在空間分離的發(fā)送和接收節(jié)點之間通常存在時鐘不同步，這些不利約束將極大限制將雷達感知集成到通信中。為了實現(xiàn)高等級的通感融合，需要設(shè)計新的6G系統(tǒng)架構(gòu)和協(xié)議棧，以實現(xiàn)資源、功能、信息的緊耦合協(xié)同融合共享[23-24]。

4)通感融合物理實現(xiàn)方式：與現(xiàn)有通感功能分離系統(tǒng)的各自物理實現(xiàn)技術(shù)相比，通感融合系統(tǒng)的硬軟件實現(xiàn)方式還處于初級階段，可能的物理設(shè)計工藝手段和組合方式多樣，但都需進一步成熟優(yōu)化[25-26]。

總體上，通感融合從當前5G-A發(fā)展到未來6G階段，正在經(jīng)歷“場景和方案由淺入深”，通過更先進技術(shù)手段，努力邁向更高等級的通感融合，這需要遵循分階段市場需求和漸進式的技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展原則[27]，逐步實現(xiàn)從低等級到高等級通感融合技術(shù)方案的應(yīng)用落地。

3 總結(jié)

文章先剖析闡述了“通感融合”的具體內(nèi)涵，即它應(yīng)先被具體化為：“哪種具體的無線通信類型方式”和“哪種具體的無線感知類型方式”在“在哪種等級程度上的融合”這三個基本問題；只有當通感融合這三個基本問題答案相同，相關(guān)不同的通感融合方案之間才具備可比性，它們之間的優(yōu)劣性和綜合性能比較才能更公平且有意義。進一步地，文章提煉指出“通感融合”三維度要素，即“資源”“功能”“信息”，進而可以大致評判出各個維度上“通感融合”的程度。更進一步地，基于三個維度通感融合程度，文章又建議定義了通感融合等級體系，共有6個等級，主要起了等級范式引導(dǎo)作用。為了未來6G能實現(xiàn)更高等級的通感融合，文章又簡要介紹了一些關(guān)鍵技術(shù)問題和挑戰(zhàn)?；诒疚奶岢龅摹巴ǜ腥诤稀本唧w內(nèi)涵，跨界跨行更容易統(tǒng)一理解和對齊各自的認知研討基線?；诒疚奶岢龅耐ǜ腥诤系燃夡w系，業(yè)界可對各廠家的具體通感融合方案，進行與各個等級對標的對比評價，可指導(dǎo)規(guī)劃未來6G通感融合系統(tǒng)的分階段設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)循序突破。