面向5.5G的通信感知一体化

叶 威 高树亮

华为技术有限公司 深圳 518129

引言

引言随着移动通信发展，通信系统的载波频率逐渐提高，带宽逐渐增加，天线规模增加，通信和雷达的工作频率和带宽逐渐接近，随着Massive MIMO、软件无线电和OFDM雷达的发展，通信和感知在波形、基带数字信号处理方面有了统一的可能性，通信感知一体化的概念逐渐在学术界开始流行[1-3]。最初从GSM和3G年代开始就有了移动通信产生感知方面的初步研究。随着Wi-Fi和4G的发展，通信感知一体化方面的研究越来越受到重视。在面向5G-Advanced的研究中，感知将会是蜂窝系统的一个重要能力和特性，并可能在未来几年获得商用落地。通信感知一体化所囊括的内容比较广泛，包括基站的感知能力、终端的感知能力、基站和终端相互配合的感知能力、基于基站发射的新增接收节点获得感知能力等等，本文主要讨论基于蜂窝基站衍生的感知能力。

通信感知一体化的最初发展，很多研究都是基于软件无线电实现架构上，用通信的硬件和通信波形完成测距功能[4-5]。但这些领域的技术进步并没有提供当前应用场景下的完整解决方案，从完整系统角度来看，存在的主要问题有以下几点。

1)通信和感知的资源分配问题。当前通信业务一般是突发方式，具有一定的随机性，是非周期的，通信的方向和用户位置相关，没有规律。而感知则需要固定周期重复在时域和空域方向扫描，不管这个方向上是否有目标。

2)硬件融合问题。通信和感知对硬件的要求不同。在发射机方面，感知倾向于大功率设计，发射机工作在1dB压缩点附近，发射恒包络的单载波信号；通信则倾向于更大工作动态范围，发射线性多载波信号，对EVM要求高。在接收机方面，需求正相反，感知需要更大的动态范围来兼顾近处目标和远目标、强目标和弱目标；而通信可以借助上行功率控制机制控制终端发射功率，对接收机动态要求不高。

3)网络融合问题。站址和天线是蜂窝网络的重要组成部分，通信感知一体化需要依托已有站址资源才能更好发挥优势，实现通信感知网络融合。但当前站址的位置和站间距都只考虑了通信的需求和技术能力，而这些站址、天线朝向和站间距对感知不合适。

4)合适通信感知的产业节奏。无线蜂窝系统是一个无线逐步替代有线的过程，业务需求和产业节奏非常明确。2G与3G替代有线电话，4G与5G替代有线互联网，应用和产业是同步成熟。但感知方面和蜂窝结合的业务需求之前并没有出现，特别是广域感知覆盖。这些应用的问题导致了通信感知一体化的发展，需要在技术成熟度和商业模式两个方面同时拓展。

对比当前常用的毫米波FMCW雷达和毫米波通信基站，毫米波基站有远高于FMCW雷达的EIRP，AD采样率高1个数量级以上，天线口径更大，在探测距离、角度精度等方面有明显优势，具备替代当前FMCW雷达的能力，有可能快速地投入商用部署。当前的研究主要集中在通过联合优化通信感知系统，尽量降低感知占用的时频资源开销，避免感知功能额外增加成本，包括硬件和组网方面的成本。

1 通信感知一体化商用场景分析

通信感知一体化的应用场景可以找出很多[2-3，6-9]，包括交通场景、室内Wi-Fi、卫星、军事应用等场景，其中包括一些适合蜂窝的场景。蜂窝系统当前覆盖优势主要在室外和室内公共场所，比如商场、体育场、车站、机场等区域。面向住宅的室内部署场景比较少，比如，卧室、小办公室。因此蜂窝感知当前主要场景考虑还是室外、远距离，同时有通信需求和感知需求、能发挥蜂窝优势的场景。经过对一些领域的分析洞察，当前最可能有商业应用前景的场合主要有以下三个。

1.1 智慧交通和车路协同场景

智慧交通是指利用ITC设施辅助公路网络，提高交通通行效率，降低事故率，未来可以为自动驾驶提供第三方视角的感知数据，提高感知可靠性，避免感知死角。当前智慧交通的实现方式是沿公路部署传感器，全路段，全时段检测路上行驶的车辆、行人、抛洒物等对象，并通过路侧部署的通信设备实时传送给路面的车辆。在这种场景下，有很强的感知和通信共存的需求。当前智慧交通已经纳入新基建的支持范畴，获得国家层面的重点资助。

随着图像识别技术的突破，摄像头广泛应用于交通场景，摄像头有几个不好解决的痛点问题。

1)光照不理想的时候性能比较差，比如夜晚光线暗，早晚太阳照射角度比较低，能直接出现在摄像头中的时候。

2)恶劣天线对摄像头影响严重，比如雨雪雾天气。

3)摄像头无法兼顾视野，覆盖距离和清晰度，在公路上覆盖距离比较近，想做到公路连续覆盖很困难。

无线感知是和摄像头互补的探测技术，最大的优势是距离很远，能用较少站点做到沿公路连续覆盖，不受天气和光照影响。配合摄像头的车牌识别功能，可以跟踪车辆在公路上的连续行驶轨迹，记录在行驶车道，还原事故势态，统计路面上的车辆数量和行驶速度。利用这些数据可以优化红绿灯相位，提高道路通行效率，降低事故率。

面向智慧交通场景，感知的核心诉求是能在能识别车辆类型，分车道连续跟踪，为了降低总的投入，站点数尽量少，感知和通信要做到同覆盖。

未来，如果车辆具备一定的自动驾驶能力，如车辆自身能达到L2的辅助驾驶能力，并具有低时延通信能力，有希望在路侧感知设备辅助下，更高等级的自动驾驶能力。

1.2 铁路周界场景

铁路边界一般有护栏封闭，避免车辆、行人和动物侵入。除了车辆行人和动物入侵之外，还可能出现落石、异物侵入等问题。一旦发生这些意外，对铁路安全运营影响非常大。铁路领域迫切需要一种技术能低成本的覆盖所有铁路沿线，全时段、全天候的监视铁路沿线安全。同时，铁路方面一直有通信的需求，除了旅客用手机上网之外，还有车内监控视频，列车相关数据，车内公共娱乐等信息需要实时传输。通信感知一体化技术单站覆盖距离远，通过通信功能可以分担部分成本，不受天气和光照因素影响，有希望能成为可行的候选技术方案。

铁路周界场景的关键需求主要是检测低速移动的人和动物，特别是横向穿越铁路的场景。此外还有静目标的检测，能检测到落石和树木、车辆等异物出现在铁轨上。

1.3 低空无人机探测场景

对低空无人机等目标的检测有很多种需求。当前快递、外卖行业在国内规模很大。用无人机送货具有时效性高，安全性高，能有效节省成本。低空开放已经提到日程，国内已经批准多地开始试点。低空无人机商业运营需要划分航道，对低空资源做管理，无人机要能遵守低空空域调度，除了无人机主动自觉遵守规则之外，还需要一种执法手段来核实无人机实际运营是否按照所申请和上报的航线运行。其次，无人机跨越了所有的围墙，物理世界中常用的基于围墙/门岗的安全手段在无人机面前无效，需要对非合作的无人机能及时发现，检测是否侵入非开放空域的区域。

另外一种低空目标探测场景主要在机场周边的净空保护，需要探测无人机和鸟群。

低空无人机探测场景下，主要问题是无人机目标体积和雷达反射截面积很小，典型的消费级无人机在毫米波频段的雷达反射截面积大约0.01～0.02平方米，并且飞行环境复杂，高度低，速度慢，容易混在地杂波里，典型的低慢小目标探测，这也是传统雷达领域经典难题。在这种应用场景下，探测距离是最大的挑战。当前蜂窝系统城区站间距几百米，郊区站间距几公里，考虑重用蜂窝站址，需要对无人机探测距离达到300米～2公里范围。

2 通信感知一体化空口融合

感知的波形设计是关键技术之一。通信和感知的波形概念有些区别。对于通信来讲，波形设计一般指物理层符号设计，如CDMA或OFDM符号，对感知来讲，波形设计包括了为完成测距、测速、测角功能所使用的物理层波形设计和感知帧结构设计，比如符号扫描重复周期，扫描空间图案等。

使用OFDM符号，通信和感知都能获得比较理想的效果。作为4G和5G的通信波形，OFDM波形下通信的速率可以做的比较高，作为感知波形，信号的模糊函数比较理想。在测距方面，OFDM可以同时满足通信和感知的需求。对于感知来说，测距、测速测角也是重要的基本的能力，尽管在测距方面，通信和感知有了交集，但测速和测角，通信和感知共用帧结构还存在困难。

对通信来说，业务模型一般服从泊松分布，有了业务之后尽量分配最大资源，快速完成传输然后终端进入休眠状态节省电池电量，通信过程中，需要把通信波束指向通信用户。而对于感知来说，需要周期性地对某一个方向测距和测速，不管有没有目标，都需要在整个小区范围内扫描，以便发现目标，有些场景还会有跟踪模式，对已经发现的目标做重点测量。感知的测角和扫描过程，需要在时间、空间维度上均匀的分配资源，即使这些方向没有用户。在跟踪模式下，所跟踪目标也很可能没有通信需求。通信目标和感知目标在时间维度和空间维度上分布不同步，很难实现通信感知帧结构复用。

解决这个问题最基本的方案就是通信和感知各自拥有自己的帧结构。通信感知的资源可以通过时分、频分、空分、码分等方式复用。比较简单可靠的做法是时分。采用这种方案可以满足第二章提到的三种应用场景需求，如果希望进一步降低开销，可以进一步研究更好的复用方式和共用方式。

得益于5G灵活的通信信号格式，当前标准支持在一个信号帧中占用几个数据符号用来做感知。如图1所示，可以在当前通信信号帧里面时分出几个固定符号做感知用。在通信感知时分系统中，需要周期性发射测距信号来实现测速，但在通信感知一体化、通信感知时分场景下，下行公共信道和上行信道不能被感知符号占用，否则现有终端无法识别基站信号。这样导致了感知符号不能等间隔周期性分布，在上行时隙和下行公共信道时隙有缺失，这造成了速度谱的栅瓣问题。采用插值和压缩感知等技术可以一定程度解决栅瓣问题。

图1 通信感知时分资源复用方案

通信感知的时分也带来了频谱效率降低的问题，对终端传输相同的数据，由于某些符号用来做感知，需要更长的时间才能传完，这就增加了终端的功耗。通信的频谱需求是动态的，和业务量相关，感知如果不做目标跟踪，对频谱的需求几乎和目标数无关，为了满足苛刻的感知指标需求，需要占用比较多的资源开销。如何降低感知资源开销需要进一步研究。

3 通信感知一体化硬件融合

无线蜂窝衍生的通信感知有很多种类型，根据发射和接收是否同一设备，可以分成主动感知和被动感知。

主动连续波雷达需要工作在全双工模式，如图2(a)所示，基站能实现同时收发，这个功能要求当前基站不能满足，需要对硬件做一些修改。比如，可以在多天线TDD通信系统中，修改软件实现不同天线同时收发，不需要修改当前设备的硬件。

如果完全不改动当前射频设备，也可以通过被动感知的方式来增加感知能力。如图2(b)所示，用一个基站发射，相邻的基站接收。被动工作模式下，受限收发基站和目标的相对角度、覆盖、测角精度、噪声抑制等方面存在很多问题，需要进一步研究。

图2 主动感知与被动感知示意图

主动感知工作在同时同频全双工模式，同时支持收发。当前的无线通信系统共用收发天线，天线收发靠环形器和射频开关隔离，环形器的隔离度不满足感知需求。 解决这个问题的简单方法是在有多个天线通道的射频系统中，可以通过软件配置感知业务，令一部分天线工作在发射模式，一部分天线工作在接收模式，实现全双工。在收发天线之间需要较高的隔离度，避免发射信号造成接收通道阻塞。自收发隔离如图3所示。

图3 单站通信感知全双工模式和收发天线隔离问题

提高天线隔离是一个综合性的设计问题，可以通过收发天线分离，并拉开距离，优化电磁设计，收发天线之间增加电磁结构隔离等技术降低空口耦合；收发电路和天线机械结构和共地去耦技术降低结构耦合。对天线罩的优化设计可以降低收发天线罩耦合。采用模拟干扰对消技术可以进一步提高端口隔离，降低收发干扰。

为了避免发射信号对接收通道的阻塞，发射直接耦合信号应该AD转换之前被抑制掉。在全双工系统中，为了提升收发隔离，通常采用模拟对消技术。模拟对消需要用到大量的延迟和幅度相位调节链路，结构复杂。在通信感知一体化中，只需抑制第一个直接耦合径，对消结构相对简单一些，只需要做单径的幅度相位调整对消即可。

当前基站的AD分辨率和采样速率都比较高，在感知应用领域可以获得额外的处理增益已提高动态范围。受益于总的动态范围比较大，在很多应用场景下，现有天线即可满足应用需求。重新设计天线可以获得更好的探测能力，提高探测范围和结果的可靠性。

4 通信感知一体化网络融合

4.1 站址共享方案

站址是蜂窝系统的重要资产，为了感知增加站址意味着增加成本。如果能复用已有站址和设备完成感知业务会大大降低感知组网成本。第一章中分析了通信感知一体化的应用场景，在场景1、2中，利用当前已有的蜂窝基站站址存在一些困难。

图4是当前高速公路和铁路的典型无线覆盖方案，基站距离路比较远，站间距也比较远，超过了基站有效的电磁感知范围。在这种部署情况下，探测精度有限，很难满足车路协同和国铁周界安全探测的精度要求。

图4 交通场景建站示意图

在交通和铁路周界场景下，很可能会部署专网，比如智慧交通系统和铁路专用网络。在这种场景下，可以重新选择站址，在已有站址基础上增加一部分站址，在热点地区可以先部署起来。

在场景3中，很多低空保护区是在机场周围，地形条件往往是在郊区，基站站间距通常在2～5公里左右，如图5所示。图中五角星代表基站位置，圆圈代表1公里覆盖半径。从这个典型场景可以看到，对低空小型无人机的探测距离需要达到2.5公里左右才能利用现有站址对低空连续覆盖。这个探测距离对当前通信硬件平台挑战比较大。在无人机送货场景下，更多的时城市场景，站间距一般在300～500米左右，这种场景下，可以隔几个基站部署一个具有探测能力基站，比如1/4或1/16的基站，以降低探测组网成本和设备复杂度。

图5 某机场周边基站位置和覆盖示意图

4.2 组网干扰抑制

蜂窝通信系统的优势是单站价格低，通过组网实现大范围无缝覆盖。但对于感知来说，组网干扰的问题比较严重。感知网络类似TDD异配比网络，整个网络中有些基站在发射，同时有些基站在接收，基站之间的干扰非常严重。TDD异配比特性很早标准上就能支持，但实际网络部署困难重重，感知也面临这些问题。

干扰可以分成以下几类。

1)基站之间的直射信号阻塞干扰；

2)基站之间直射+反射信号干扰。

在TDD通信系统中，同一时刻所有基站都工作在下行或上行模式，站间不存在干扰，而在感知模式中，一部分基站或通道在发射模式，另外一部分基站或通道在接收模式，存在异配比干扰。通常在城市环境中，十几公里之内的基站都能相互干扰。通过时间错开干扰资源开销代价太大，由于远距离基站的干扰传播时延问题，感知时隙会受到远处基站的干扰时通信信号干扰。空分干扰规避，受限空间自由度，只能解决少数基站的干扰。

通信和感知组网干扰是一个需要研究的技术方向。从干扰角度来说，选择毫米波做通信感知一体化网络建设更合适。首先，毫米波当前并未用于大规模商用通信，新的网络不会对已有网络造成干扰。其次，毫米波的传播特性差，只要不是直射径，传播损耗大，站间干扰比较低，方向性好，干扰方向规避容易实现。5G毫米波频谱已经开始准备发放，基于毫米波的通信和感知的需求也日趋成熟，在5G阶段实现感知毫米波组网是可行的。

4.3 多站协同

在5G网络中，基于C-RAN的多站协同广泛使用，如Comp、用户中心网络。在感知方面，多站协同理论上可以扩大探测范围，提高信噪比，提升探测精度，如图6所示。在通信方面，分布式系统工作中会获得终端的配合辅助，多站协同之前要先测量多个基站到终端的信道矩阵。而对于感知来说，被探测目标不会反馈信息，无法事先获得被测目标的信道，并且往往环境中存在多个待探测目标，理论上也无法同时提高对所有目标的探测能力。在通信系统中，多个基站收到终端信号来自同一个天线端口，发射信号在各个方向上功率相位可能不同，但内容是相同的。在感知系统中，多个基站协同探测一个目标时，每个基站看到的时目标的不同表面，因此回波的相位是不相参的，可以认为是不同的目标，很难通过相参处理提升探测能力。针对这种场景，可以先通过单部雷达测量目标回波相位，然后在发射信号上对相位做补偿，多部雷达协同探测提升信噪比。这种方式只能针对特定目标跟踪场景下使用。

图6 多站探测目标看到不同目标表面示意图

通过非相参多站协同，从不同的角度感知目标，可以提升测量精度，降低覆盖盲区，降低遮挡概率，从这个角度看，多站非相参协同更有价值。

蜂窝系统天然就是一个分布式系统，基于蜂窝的分布式感知相对单站方式有很大优势潜力。基于非相参的分布式系统可以提高定位精度，更好地利用分布式信息，探测范围、分辨率和精度同步提升将会是一个热点方向。

5 总结

通信感知一体化在学术界已经讨论了几十年，其中最成熟的技术就是通信和感知测距共波形设计。受益于通信硬件平台高EIRP，高采样率，强大的基带DSP能力，通信系统衍生出来的感知能力已经超过了低成本的FMCW雷达。为了降低感知的开销，不增加额外成本，还有很多技术问题需要进一步研究，如测速、测角、硬件一体化、网络一体化及应用一体化。本文从交通、铁路周界和低空安全几个场景出发，给出了基于5.5G通信感知一体化的挑战和可行的解决方案。