5G低功耗通感融合半实物验证系统的设计与开发

周伟，李阳，江甲沫，宋国超

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

软件仿真因其具有高度的灵活性，可用于多种场景、多种技术的仿真评估，一直作为以往通信技术研究和系统设计的主要研究工具。但软件仿真的主要缺陷是无法准确评估真实无线环境下的系统性能。使用专用硬件设备又存在成本高、搭建和开发难度大、调整灵活性较低等限制。近年来，基于软件定义无线电（SDR）[1-3]的半实物仿真逐渐成为研究热点，在通用硬件平台上通过软件实现尽可能多的通信功能，既保留了软件仿真的灵活性，又可以通过硬件平台在真实无线环境工作，在实际性能评估、实时业务演示、真实时延分析等方面具有软件仿真不可比拟的优势。因此，研发半实物平台进而探讨其在移动通信领域的应用具有非常重要的意义。

业界主流厂商在技术验证和产品研制阶段，均有自主开发的测试终端和原型样机，用于方案验证和性能评估。但受限于知识产权等因素，不易对外开放使用。科研院所和高校等机构在探索5G-Adavanced/6G 新技术过程中也迫切需要类似的测试终端和原型样机用于技术研究和验证。基于半实物平台实现原型样机开发，不仅可以在理论探索阶段发挥验证作用，还可以在外场测试验证中辅助性能评估，帮助研发人员快速定位问题，进行算法优化。因此，开发包含完整端到端协议栈的半实物仿真验证系统具有重要的理论研究和工程验证意义，也受到越来越广泛的关注[4-5]。

目前已经存在一些面向SDR 技术的研究组织和项目，例如开放空中接口（OAI）[6]，它是由Eurecom 组织发起的开源项目，也是目前较为完善的开源SDR 平台。通过软件实现基于3GPP 标准的空口协议栈，极大地扩展了半实物平台在移动通信领域的应用空间，为5G 乃至以后的通信系统原型搭建、算法仿真、部署实现和升级迭代，都提供了一种更为灵活高效的方式[7-10]。

本论文的主要研究目的是基于5G 半实物平台，探索如何利用已有5G 空口信号扩展实际应用,通过结合5G信号和反向散射通信（Backscatter Communication）[11-12]设计了低功耗通感融合系统并完成了功能验证，实现人员检测功能。

1 5G半实物平台

5G 半实物平台的硬件环境包括2 套USRP N310 软件无线电套件（分别用于5G 半实物基站和终端的射频端）和2 台高性能工作站（处理器Intel Xeon 6254R，内存256 G，操作系统Ubuntu 18.04，分别用于5G 半实物基站和终端的协议栈及基带信号处理），平台架构见图1（左侧方框部分）。平台搭建过程中，首先配置N310，包括驱动安装、镜像文件写入、万兆网卡及IP 地址配置等。N310 目前仅支持FR1 频段，最高可支持4 通道*100 MHz/通道的射频信号收发。其次搭建5G 半实物基站和终端工作站，包括协议栈源码编译调试、修改低延时内核、设置系统时钟、修改配置文件等。协议栈是基于3GPP R15 标准进行开发，采用SA 架构，包含控制面和用户面的全部协议实体（RRC/SDAP/PDCP/RLC/MAC/PHY），配合核心网网元，可实现完整的初始接入流程。搭建完成后，使用命令行启动5G 半实物基站和终端，通过N310 实现真实无线信道下的5G 空口数据传输。空口参数可以通过修改源代码和/ 或命令行的方式自定义，包括收发天线数、子载波间隔、载频、带宽、调制方式等。

图1 5G半实物验证系统架构图

选取了一组参数并截取了平台运行过程中的实时界面。图2（a）和2（b）分别是基站侧和终端侧的图形界面，可以看出上行共享信道（PUSCH）、广播信道（PBCH）和下行共享信道（PDSCH）的星座点清晰可辨（测试中三个信道均配置为QPSK 调制），说明5G 半实物平台实现了下行同步以及上下行数据的正确接收。图2（c）为终端侧的log 界面，从运行log 中可以看出，终端侧能够正确接收下行控制信道（PDCCH）并解析出下行控制信息（DCI）。

图2 5G半实物平台空口连接验证示意图

2 5G低功耗通感融合半实物验证系统设计

随着4G/5G、Wi-Fi、蓝牙等无线通信技术的日益成熟和广泛部署，在使用无线信号完成通信的基础上，研究人员开始探索如何利用无线信号实现更广泛的应用。在实际环境中，无线信号的传播往往会经由物理空间中的墙壁、人体等障碍物的反射、衍射、折射等形成多路叠加，因此收到的无线信号包含了经过的物理环境的特征信息，可以用来对周围的物理环境进行推断感知。目前已有研究多是利用Wi-Fi 信号来实现环境感知[13-17]，一方面是因为部署Wi-Fi 设备和搭建Wi-Fi 网络比较方便，另一方面是业界已存在相应工具可获取Wi-Fi 信号的信道状态信息（CSI）[18]。但受限于发射功率和使用频谱，Wi-Fi 网络的覆盖范围较小。与之相较，移动通信基站的发射功率大，覆盖范围广，如何利用广泛部署的5G 网络信号拓展感知功能逐渐成为研究热点[19-22]。但5G 网络部署难度高，且商用5G 设备的接口开放程度低，无法直接读取空口信号数据，因此目前业界基于5G 信号的感知功能验证较少。基于5G 半实物平台，可以搭建包含基站和终端的5G 网络，实现5G 空口信号的收发。同时，空口协议栈的开放特性使得可以采集和输出空口数据，从而利用空口数据实现特定的感知功能，对通感融合技术和应用进行实际验证。

2.1 反向散射通信

通过海量无线设备构建的物联网让万物互联变成现实，5G 标准也定义了大规模机器类型通信（mMTC）的应用场景[23]。基于5G 接入方式的无线设备具有较高的功耗，意味着需要更换电池或有源供电，增加了物联网的部署成本和难度，因此探索低功耗的通信方式对扩展物联网实际应用具有重要的研究意义。反向散射通信通过切换天线阻抗控制环境中入射电磁波的弹射和吸收，从而实现自身数据的调制[24]。例如，当发送数据比特“0”时，将天线阻抗切换至50 欧姆，此时环境中的电磁波完全被吸收，接收到的反向信号幅度为0；当发送数据比特“1”时，将天线阻抗切换至无穷大，此时环境中的电磁波被反弹，接收到的反向信号幅度不为0。由于不需要功耗较高的有源器件，该通信方式具有功耗极低、成本低廉的优势。此外，反向散射通信设备可以通过吸收周围环境中的电磁波能量给通信电路供能，从而实现不需要电池的“零功耗”通信。

传统反向散射通信需要专用的射频信号源发送射频信号，具备反向散射通信功能的标签检测并反射该信号回到信号源。部署专用射频信号源不仅增加了部署成本，而且信号往返路径损耗较大，有效通信距离受限。为了解决上述问题，近些年业界提出了双基地反向散射、环境反向散射等新型反向散射通信方案。双基地反向散射是指引入独立的载波发生器和接收端，通过优化载波发生器的部署，提升覆盖范围。环境反向散射是指利用周围环境中已有的无线信号与检测端进行通信，常见的无线信号包括广播电视信号、Wi-Fi 信号、移动通信信号等。

2.2 低功耗通感融合方案设计

本文采用环境反向散射通信方案，结合5G 信号，设计了一套用于人员检测的低功耗通感融合系统。在系统中，将5G 半实物基站部署在特定位置，然后将反向散射设备部署于需要检测的人员活动区域，并设置反向散射设备一直反弹基站发送的5G 信号。最后在特定位置部署反向散射信号接收机，通过检测反向散射信号，并根据信号强度、相位等判断是否出现人员活动。使用反向散射通信不仅可以扩充现有5G 信号的检测范围，而且可以通过设计灵活的反向散射通信方案来扩展检测能力，例如通过时分或者频分的方式协调多个反向散射设备间通信，从而实现多目标检测。

设计了相应的反向散射通信方案来解决系统实际部署中的问题。首先，反向散射信号与5G 信号处于相同频段，因此存在同频干扰严重。针对这个问题，在实现过程中采用了基于频率搬移的反向散射通信调制方案，通过设置天线开关频率略大于数据传输速率，将反向散射信号搬移到5G 信号相邻的信道，从而有效抑制了同频干扰，原理示意如图3 所示。采用频率搬移方案，一方面当需要检测多个目标时，可以通过给每个设备分配不同的搬移频率进行区分。另一方面，对于未来通感一体化的基站，移频可以避免反向散射信号与通信信号同频存在，降低全双工干扰。其次，反向散射设备需要判断5G 信号的起始点，并将自身的数据符号和5G 信号的符号的边界对齐。考虑到信号强度和同步精度，利用5G 的主同步信号（PSS）和辅同步信号（SSS）作为定时检测信号。为此设计了基于包络检测的同步电路，通过检测5G 同步信号的边缘实现了定时同步。

图3 基于频率搬移的反向散射通信示意图

3 5G低功耗通感融合半实物验证系统开发

3.1 开发实现

搭建人员检测系统，使用的硬件环境包括1 套N310软件无线电套件（用于gNB 射频端搭建）、1 套X310 软件无线电套件（用于反向散射信号接收端搭建）、2 台高性能工作站（分别用于gNB 基带信号处理和反向散射信号处理）、1 套反向散射通信设备（用于检测和反射5G信号）。配置N310 和搭建5G 半实物基站与第1 节中步骤一致。配置X310 是通过LabVIEW 开发工具实现，主要功能包括接收反向散射信号和实现简单的基带信号处理，包括下变频、信号同步和信号处理，无需部署协议栈代码。另外，基于两层PCB 电路板自主设计了反向散射通信设备，使用FPGA 实现基带信号处理，包括信号同步和频率搬移调制。具体的人员检测系统架构如图1（右侧方框部分）。

3.2 测试验证

首先配置5G 半实物基站生成5G 空口信号，配置参数如表1 所示。然后在标签检测范围内部署反向散射标签，并配置移频带宽。之后配置反向散射信号接收端在一定频率范围内检测5G 空口信号。最后，基于LabVIEW 设计图形显示界面，直观展示接收端检测的信号情况和基于此判定的人员检测结果（有人时图形界面的绿灯亮起，无人时绿灯灭）。

表1 测试环境参数

图4 和图5 分别展示了无人和有人的测试场景及相应的检测结果。从图4 的图形界面可以看出，当无人出现在反向散射标签和接收端通信链路中时，接收端在移频后的中心频点3.62 GHz 上检测到了5G 信号的相关峰。测试结果表明反向散射标签成功检测到了5G 信号并基于频率搬移方式反射了该信号，在无人环境下反向散射信号接收端能够成功接收到频率搬移后的反向散射信号。当有人出现在通信链路中时，因为人员阻挡了反向散射信号传输，接收端在3.62 GHz 频点上检测不到有效信号，如图5 所示，从而判定有人员活动，图形界面上出现亮灯提示。

图4 人员检测系统测试（无人场景）

图5 人员检测系统测试（有人场景）

4 总结与展望

本文提出了一种5G 低功耗通感融合系统的设计方案，将5G 信号与反向散射通信相结合，通过频率搬移和信号处理实现人员检测功能，并基于5G 半实物平台实现了功能验证。后续研究规划中，将针对5G 通感融合半实物验证系统尚存的不足进行完善和增强。

5G 半实物平台：（1）完善5G 核心网功能部署，开展SA 组网[25]下完整的端到端功能验证；（2）扩展空口多天线功能，包括调试硬件设备和补充协议栈物理层代码；（3）完善空口高层协议代码，增加网络配置的灵活性置；（4）基于5G 半实物平台，开展面向5G-Advanced/6G 通信系统的新技术研究。

通感融合系统：（1）基于频率搬移调制的反向散射通信虽可以降低与原有射频信号的自干扰，但会占用相邻的频谱资源，可能会干扰到其他设备的正常通信。后续研究中，会完善频率搬移功能，降低对相邻频段的信号干扰，例如通过能量检测，将反向散射信号搬移到能量较低的空闲频段进行传输；（2）设计合理的数据调制方式，实现基于反向散射通信的数据传输；（3）部署多标签测试场景，协调不同标签的频率搬移和调制方式，实现多标签检测功能。

基于半实物平台的测试验证相较于软件仿真，能体现真实无线信道环境对性能的影响，且便于开发和部署，在后续无线通信系统关键技术的研究和验证中会得到更广泛的应用。但半实物平台也面临很多的技术难点和挑战，需要进一步完善。希望通过本文，可以为后续面向5G-Advanced/6G 通信系统的半实物验证以及实际应用的研究提供参考和建议。