6G通感传算融合需求分析与关键技术研究
杨 艳，李福昌，张忠皓
(中国联通研究院，北京 100048)
6G做为下一代通信系统，其架构和技术都在发生较大的变化，其中智能化和融合化是其较为突出的特点。目前，业界已经开始对6G的应用场景和关键技术进行系统深入的研究[1-3]。目前主流的多个业务融合方向主要为两个业务融合：通信与感知融合、通信与无线传能的融合或者一体化。其中较为主流的融合方式——通感融合技术可以实现通信和感知功能的一体化，是未来网络中专网应用丰富化的体现，是典型多个2B业务以大规模全面覆盖新业态出现的具体体现方式。通信和无线传能融合在物联网等方面有较大的用处，可以对低能耗的物联网系统进行无线充电，实现不间断的通信服务。但是目前的通信+某一个业务融合系统是目前研究的重点，而通信+多于两个业务的融合目前尚无相关的研究。
一方面，从通信和感知融合的角度看，通信和感知发展在前期都是分离的，到了在5G后出现了相互融合。近两年，通感融合的研究在高校、产业界都较为重视，在标准方面，多家公司和高校都对通感融合标准化投入了大量的人力，并输出了多份文稿，并且3GPP R19 SA1完成第一个通感立项，ITU和IEEE 也成立了研究组开展相关的研究。在学术方面，高校和科研机构对通感融合的部署厂家[4-5]、系统架构设计[4-5]、波形设计及通感融合在射频[6-11]都进行了大量的研究，并逐步明确了通感一体化技术的研究路线和关键技术。
另一方面，信息和能量一起运输的想法是由Varshney[12]首先讨论的，为了说明同时进行信息和功率传输的基本性能权衡，提出了一个容量-能量函数，通过使用具有加性高斯白噪声(AWGN)的真实衰落信道。Sahai等人[13]扩展了这一想法，通过考虑单输入单输出(SISO)系统，在能量收集和信息解码之间采用非平凡的权衡。目前通信与无线传能的研究也较多，主要聚焦在共享网络的天线能力、一体化射频、波形选取等[14-16]。
6G时期的通感传算融合是一种多种业务全方位高度融合的应用，其主要目标是通过对一套系统实现多种业务，即实现通信、感知和传能业务共同承载在一套端到端系统上，从而有效提升无线频率的利用率、降低设备重复部署，达到低碳的目标。图1为通信、感知和无线传能一体化示意图，图中给出了比较常见的通感传能一体化结构，可以将通信功能、感知能力和无线传能都集成在基站中，通过差异化波形、时隙、频段和天线阵列进行不同业务的执行，当然也不排除使用基站和终端联合承担通信、感知的传能的可行性。
图1 通信-感知-传能一体化系统
由于将通信、感知和传能进行一体化研究刚处于起步阶段，因此需要对其适用范围进行梳理，尤其是典型的应用场景。由于设备的尺寸、功耗和内部设置都与覆盖范围有较大的区别，因此在典型场景划分中本文按照室内场景和室外场景进行划分。
1.1 室内应用场景
通信-感知-传能融合业务在室内场景有较为广泛的部署空间。其中比较有部署前景的场景可以分为物联网场景、智能家居场景、智能查表场景、智能安防场景、智能工厂场景等，如图2所示。下面将对这些场景的需求进行详细分析说明。
图2 通感传融合业务的室内应用场景
在智慧家居场景中，有很多小电器需要进行通信控制和充电，这些都对无线控制和无线传能有较强的需求。此外，家居中也对非法入侵、老人孩子监护等无线感知业务都有较高的需求，如果部署独立的相关设备对房屋的布局等都有较大的空间、电力要求，在这类复杂的需求场景中对通信-感知-传能融合设备的需求是显而易见的。
在智慧查表场景中，电表、水表和燃气表如果采用传统的设备，需要工作人员进行查表和设备的电磁更换，即使使用物联网表，也需要进行定期的电源更换，对人力有一定的要求，在这种情况下无线通信与无线传能一体化有较高的需求。同时，考虑到电表等仪表的安装区域可能出现非法人员或者仪器不正常脱落等问题，这些可以通过无线感知功能进行发现和检测。不难看出，在智能查表情况下，通信-感知-传能可以提升整个查表场景的智能化。
在智能安防场景中，烟感等传感器都需要进行无线控制和无线传能，并且对非法入侵等都有较高的要求，因此通感传融合设备可以很好地满足要求，达到设备的集约化和高效化。
在智慧工厂场景，尤其是一些安全条件较差的场景，如煤矿场景等都有较多的无线控制设备和仪表，且对特殊险情都需要进行较快的反应，在这种情况下通感传设备可以从根本上解决安装位置不足、人员安全隐患等问题，保障工厂的高效安全工作。
1.2 室外应用场景
通信-感知-传能融合业务中在室外环境比较有部署前景的场景可以分为车联网和巡检等场景，如图3所示。下面将对这些场景的需求进行较为详细分析说明。
图3 通感传融合业务的室外应用场景
智慧交通场景针对车联网、车路协同和人员非法入侵等场景给出，由于车联网需要进行大量的数据传输且要对公路内车辆、人员和物体等进行监测，因此对通信和感知都有较高的要求。另外，随着电动汽车的出现，提供大功率的充电能力，这样就对通感传融合业务有较为明确的需求。
智慧巡检是针对户外场景下需要采用无人机、巡检机器人等进行部署的场景，在这些场景中通信、感知和传能的需求都存在，因此可以通过部署通感传设备进行部署。
通信-感知-传能融合系统与传统的通信、感知和传能独立存在的系统或者通感融合系统、通信传能系统有较大的不同，其射频设计将非常复杂，且对频段的要求更加明确化，需要开展对无线资源共享和通感传算覆盖增强技术的研究。
2.1 一体化RF技术
通感传融合技术需要考虑设备的一体化，而空口部分的一体化难度极大，最为重要是射频一体化难度会随着多个不同业务共存而逐步提升。一体化射频与多种技术相关，如波形选取、帧结构选取和天线模式等，本节将着重对波形技术和天线模式进行介绍。
2.1.1 波形技术
在5G中，通信波形还是默认使用OFDM波形，其具备较高的可携带数据能力和低能耗，因此在现有无线通信中使用最为广泛。而感知波形普遍是采用FMCW等雷达波形进行部署，这种信号可以对物体进行较为精确的感知。无线传能技术的典型实现技术包括4种：感应耦合及谐振耦合式、微波辐射及激光辐射式。激光和微波都可以实现远距离无线传能。综合现有波形的使用情况，通感传波形可以选取的波形为OFDM、NOMA[14-15]、FWCW等波形的单一波形或者符合波形。表1给出了不同波形的性能比较。
表1 通感传波形能力对比
2.1.2 多天线技术及资源共享
Massive MIMO技术是6G中一个较为明确的研究方向，在IMT2030中也有专门的研究小组进行研究，其可以最大化空间可用性。从通感融合来分析，在同步支持通信和感知的需求后，超大规模天线可以使用精准的空间避免相同RB复用造成的干扰从而提升吞吐量，也可以使用超大规模天线的高主瓣能量反射后对需要感知的物体进行较为准确的感知。同时，随着波束形成的增加，天线数量的增加可以促进无线传能系统获得更多的能量。因此多天线技术从本质和性能保障等方面都可以满足通信-感知-传能融合技术的要求。Massive是指基站天线阵列中的大量天线，在毫米波频段等高频段可以实现较大阵子数的天线阵列；
为了利用多路径、天线元件和用户终端之间的空间信道需要加以表征，称之为信道状态信息(CSI)。此CSI一般表征各天线与各用户终端之间的空间传递函数的集合，一般采用一个矩阵(H)来收集此空间信息，如图4所示。
图4 Massive MIMO系统需要信道状态信息
CSI矩阵的公式如下所示：
(1)
基站一般是基于CSI而设计，以对天线阵列传输的数据进行预编码，使得多路径信号会在用户终端位置相干叠加。这种滤波还可以用来线性组合天线阵列RF路径收到的数据，从而检测来自不同用户的数据流。检测和预编码矩阵基于H计算。
由于通信-感知-传能一体化后，需要在一个无线系统中对不同业务分配，从而实现多个业务的资源平衡化。无线传能系统的资源分配设计在几个方面与传统的无线系统有所不同。首先，与通信的接收天线相比，传能的接收天线需要捕获实际的电路输入-输出特性所需的数学模型要复杂得多，这给资源分配设计带来了巨大的挑战；
其次，基于能量的性能指标，如收获的能量和无线传能效率，与基于数据速率的指标一样重要；
再次，传能会带来额外的共信道干扰对传统的数据通信系统是有害的，限制了系统的性能。因此，在资源分配设计过程中应抑制或减轻它。在此情况下，目前的研究主要以保证通信的质量为基础，使用较少的频分、时分子载波时隙进行感知和传能，或对CSI等参考信号进行加强实现通感传能功能，但如何进行多业务性能的资源分配还是非常重要的研究方向，需要开展相关的界限及其计算方法的研究。面向通感传融合的Missive MIMO技术方法可以针对通信、感知和传能的需求进行有效的波束赋形和资源共享。图5给出了不同在通感传融合下的资源分配及天线赋值的下行示意图。
图5 不同在通感传融合下的资源分配及天线赋值示意图
式(2)给出了在下行波束赋形的计算方法，其中Xs为感知的输出波形，Ss为输入的感知数据，Hs为感知的信道编码矩阵，相应的xI，sI，HI分别为通信的输出波形、输入的通信数据、通信的信道编码矩阵；
XW、HW和SW分别为传能的输出波形、输入的无线传能数据、传能的信道编码矩阵。
(2)
2.2 通感传算覆盖增强技术
近年来，智能反射面(IRS)通过调整元面的相位和/或振幅响应来控制无线传播环境，可以显著提高系统的频谱和能源效率引起了极大的关注。IRS对通信-感知-无线传能融合系统来说，在功能实现方面更多的是实现感知辅助通信和感知辅助传能的功能，可以通过逐步迭代更新的定位或者感知获取信道的变化情况，进而IRS基于感知反馈动态调整相位、振幅、频率和极化等参数来塑造和控制环境的电磁响应 ，实现对干扰的调整及遮挡物的避让，实现无线传能的准确性，也可以实现通信吞吐量、时延的提升。同时在感知过程中，通过IRS进行智能化中继，可以较好地实现尤其是有遮挡情况下感知信号的收取，提升三维感知精度。图6给出了典型场景下如何在有障碍物的情况下，使用IRS进行通感传业务的流程。
通信、感知、传能一体化或者融合是未来通信网络发展的一个重要趋势，需要开展网络架构、融合射频技术、新型网络技术的研究，同时由于多种业务的融合化，网络资源共享需要与算力网络、人工智能等进行高度协调，从而构建高效能、低成本的新型网络系统。
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