到底什麼是「通感一體化」?

通感一體化,是當前通訊行業的研究熱點。

1、什麼是通感一體化?

通感一體化,就是通訊感知一體化。換句話說,就是通訊和感知進行合體。

話說,這世間的萬事萬物,大抵都是相通的。

通訊和感知這倆看似八竿子打不著的東西之所以能合體,必然是它們在最底層共享著同樣的基因。

對於通訊,我們是非常熟悉的。通過基站和手機之間相互收發無線信號,我們就能在那塊小小的螢幕上打電話,聽音樂,刷視訊,和這個世界緊密相連。

感知,顧名思義就是通過某些手段來探測周邊環境的狀態,物體的位置、方向、高度、速度、距離,還可以判斷物體的形狀,甚至人的動作手勢。

這不就是雷達的工作職責嗎?

雷達的基本原理,就是發出無線電信號,然後通過探測和分析接收到的反射信號來進行高精度的感知工作。

簡單來說,當無線電信號遇到不同介質或物體時,它們會由於反射、折射、散射而產生不同的變化。如果我們能夠準確地測量和分析這些變化,就可以得到物體或介質的特徵資訊,比如形狀、大小、位置、材質等。這就相當於雷達用無線電波「感知」到了物體或介質。

除了普通雷達,還有鐳射雷達、計算機斷層掃描、磁共振成像等設備也能提供專業的感知能力。

這下發現通訊和感知的相通之處了嗎?

首先,通訊和感知都需要使用無線電頻譜資源,而頻譜資源是非常稀缺和寶貴的。如果能夠讓同一個無線信號既能傳遞資訊又能進行感知,那麼就可以節省頻譜資源,並提高頻譜利用率。

其次,通訊和感知都需要使用類似的硬體設備(比如天線、放大器、濾波器等),而硬體設備也是非常昂貴和複雜的。如果能夠讓一套設備既能支持通訊又能支持感知,相當於節省了硬體成本。

再次,通訊和感知都需要進行類似的資訊處理(比如編碼、調製、解調、解碼等),這個過程是非常複雜的。如果能夠讓一套演算法既能實現通訊又能實現感知,以有限的代價換來了翻倍的能力,想必也是極好的。

可以看出,基站是為「通訊」而生的專門設備,雷達則是專為「感知」而存在的,它們雖然在表面上看起來迥然相異,卻早已將根緊握在地下,葉相觸在雲裡。

如果能在基站裡面融入雷達的功能,採用一套設備同時實現通訊和感知的功能,並達到通訊輔助感知,感知輔助通訊的化境,對兩者均可謂是一種涅槃重生般的雙贏。

如上所述,通訊和感知系統的融合,就叫做「通訊感知一體化」,簡稱「通感一體化」或者「通感」。

如果我們需要閱讀英文資料,則「通訊感知一體化」寫作Integrated Sensing And Communication,簡稱ISAC,讀作「艾薩克」。

ISAC這個名稱和經典物理的奠基人艾薩克·牛頓爵士的名字在讀音上非常相似,也暗自印證著「萬物相通」這一亙古不變的真理。

狹義的通感一體化是指具有上面提到的有測距、 測速、測角、成像、目標檢測、目標跟蹤和目標識別等能力的通訊系統,早期也叫做「雷達通訊一體化」。

而廣義的通感一體化,則是指具有感知一切業務、網路、使用者和終端,以及環境物體的屬性與狀態的通訊系統,其在感知的上可具有超出傳統雷達的能力。

隨著5G頻譜從傳統的Sub6G向毫米波拓展,波長的減少讓感知的能力不斷提升。因此,在5G的下半場,也就是5G-Advanced階段,通訊感知一體化被納入了標準化的議程。

在未來的6G,頻譜將拓展到太赫茲,感知的能力會更進一步增強,給我們帶來更大的想象空間。

2、通訊感知一體化有什麼用處?

作為5G-Advanced階段研究的關鍵技術,6G的核心願景之一,通感一體化可以給通訊基站和終端疊加Buff,幫我們做很多事情,實現很多以前想象不到的目標。

通感一體化的目標不在於取代雷達、攝像頭或者其他傳感器,它的最大優勢在於「順勢而為」。

這是因為,基站作為通訊基礎設施是無處不在的,且在鐵塔上,電源、天饋、傳輸等資源均具備,如果只需通過軟體升級就可以擁有感知能力,何樂而不為呢?

下面是一些典型的通感一體化應用場景。

低空安防

隨著消費級無人機的發展,由於難以監控,無人機隨意亂飛現象越來越嚴重。這雖然對個人來說問題不大,但對一些需要保密的單位來說,再嚴密的地面安防,也擋不住無人機飛入飛出如入無人之境,未經允許在空中隨意拍攝簡直不要太輕鬆。

為防止無人機「黑飛」造成的洩密、碰撞及噪聲等問題,需要高效、低成本地部署低空安防系統。目前無人機安防市場多種探測方案並存,但都面臨技術、效率、成本等諸多限制。

通訊感知一體化技術,可以讓需部署低空安防區域的多個基站秒變雷達,再結合基站內部的算力資源,快速搭建低空安防系統,只要基站信號可達,就能實時定位和追蹤入侵無人機,供安防系統下一步決策參考。

反過來,基於通感一體化提供的成像、地圖構建和環境重構能力,系統可以化被動為主動,派出無人機進行偵察、物流派送等活動,並能根據多站感知能力,在未知的環境中執行自動導航和路徑規劃。

智慧交通

在車聯網場景中,需要對道路本身和環境進行識別感知,對車輛位置、速度及運動方向進行識別,對道路上異常事件進行識別。

通感一體系統可實時感知道路上的車流狀態,實現人、車、路的高效協同,保障交通安全,提升交通系統運行效率。

通感一體系統可利用通訊基站站點高、覆蓋廣的特點,實時、大範圍、感知車道流量和車速資訊,同時檢測行人或動物道路入侵,有效實施道路監管,保障交通安全和提升交通效率。

智慧家居

雖說基於攝像頭對家裡進行監控,分析人的動作以及行為在技術上都是可行的,但個人隱私洩露的風險也很大。

想象一下,在你毫不知情的情況下,自己在家中的一舉一動早已成了楚門的世界,是不是感覺不寒而慄。

因此,基於攝像頭的智慧家居方案的適用範圍有限,基於無線的解決方案已成為業內公認的發展趨勢。

通訊感知一體化系統可以利用基站或者Wi-Fi路由器發射的無線信號來實現對人的動作和行為的精細感知,為智慧家居系統提供更加豐富的功能。

比如,採用通感一體化,可實現人來燈亮,人走燈熄;可以通過不同姿勢,可以切換操縱任意電器,還可實現本文開頭的虛擬彈鋼琴;當小孩爬到窗口陽台上,或者老人摔倒等危險發生時,給住戶發送通知;在住戶離家時有人進入,則會觸發安防報警。

除了上述的家居控制,安防監控之外,室內的通感一體化還可以進行行為監測。系統通過表跟蹤、定位和識別,可以對人的行為進行監測並進行分析與判斷。

比如,可通過對步態的精細化監測與識別判斷是哪位家庭成員,還可以進一步分析每一個家庭成員看電腦、看電視、睡覺、走動等活動的時間比例,活動區間以及睡眠質量等。

社會治理

通訊感知一體化還有很多我們意想不到的用途,比如氣候環境監測、公共安全管理等社會治理的重要方面。

在氣候環境監測場景中,藉助無線網路無處不在的特性,基站可通過發送通訊感知一體化信號,結合水分子、灰塵及各類化學物質對無線信號衰落的特性,分析獲得一體化信號強度等變化特性,實現降水量、汙染氣體排放和空氣質量的實時監測等。

基於太赫茲光譜的大氣PM2.5汙染分級

基於太赫茲光譜的大氣PM2.5汙染分級

在公共安全管理方面,通過感知功能的實時探測,可以實現諸如颱風預警、洪水預警和沙塵暴預警等功能,為災害防範提前預留時間。

智慧醫療

健康醫療方面,通訊感知一體化系統在實現高速通訊的同時,還可以有效地實現健康監測和管理。

現有技術已經實現了利用通訊信號實現人體的呼吸和 心跳的監測。當發現呼吸和心率異常時,預警資訊通 過通訊鏈路實時回傳給使用者,實現實時監測功能。

同時,太赫茲成像和光譜檢查也將賦予醫療保健領域極大的想象空間。例如,太赫茲可以進行癌變組織、齲齒的檢測,以及對汗液、眼淚、唾液、外周血和組織 液的監測。

太赫茲成像診斷宮頸癌患者轉移性淋巴結

太赫茲成像診斷宮頸癌患者轉移性淋巴結

可以說,未來基於太赫茲的通感一體化系統,可以隨時隨地監控你的健康狀態,讓一切病症無所遁形。

3、通訊感知一體化的技術原理

感知,需要利用無線電信號進行目標檢測、定位和資訊提取,目的和我們司空見慣通訊是不同的,因此其實現原理和評價體系也是不同的。

對於目標檢測,雷達(支持通感的基站也一樣)需要發射信號並接收由回波信號、噪聲和其它干擾組成的混合信號,從這些蛛絲馬跡中判斷能否可以檢測到未知目標是不是存在。

假設目標已經移動到了感知區域,系統隨即成功檢測到了,這當然是最好的;如果系統沒有檢測到,這就叫做「漏檢」。而如果目標並不存在,系統卻像「狼來了」一樣上報自己檢測到了,這就叫做「虛警」。

因此我們對於感知系統目標檢測功能的需求是在低虛警概率下,儘可能高地提升檢測概率。一般來說,訊雜比越高,檢測概率也就越高。

在實現成功檢測的基礎上,就可以對目標進行精確定位,也就是進行距離、速度、角度等資料的感知。

目標距離的感知主要是通過測量發射信號和目標回波之間的時間差來實現的。這段時間差是電磁波在雷達(基站)之間往返一次的時間,用它乘以電磁波的傳輸速度(也就是光速),然後再除以2,就可以算出目標的距離。

目標速度的感知主要是利用目標運動產生的多普勒效應,通過測量目標回波信號的多普勒頻移來推導目標速度。

目標角度的感知主要通過天線交疊多波束工作,通過不同波束輸出目標的反射回波間的強度差,就可以據此來測定目標角度了。

上圖表達了測角的一種方式

上圖表達了測角的一種方式

對於上述的目標感知性能的評價,存在解析度、定位精度、無模糊範圍和盲區等維度。這些指標的定義和計算也都比較複雜,在此就不詳述了。

再回到通訊,其性能通常以系統容量、時延、誤位元速率等指標來衡量。我們打開測速軟體嘗試一下,便可以直觀地看到表達通訊的性能的指標。

由於通訊與感知兩者的設計與最佳化目標不同、性能評價指標不同,對通訊最優的傳輸方案,對感知可能並非最優,反過來也是一樣的。

因此,要實現通訊感知一體化,就要從底層考慮如何把這兩個不同的功能和諧地縫合在一起,如何最佳化發射信號,使得通訊和感知的性能損失都能相對小一些,在總體上達成設計目標。

首先是通訊感知波形和幀結構的一體化。

目前用於通訊的基站和用於感知雷達使用不同的波形,為各自的目標服務。要在基站上融合感知功能,首要問題就是兩者在波形上的共存。

雷達系統的常見波形有脈衝波與連續波這兩種方式。

脈衝波雷達是週期性發送的矩形脈衝,接收在發射的間歇進行,發射的時候是沒法接收的。如果目標距離比較近,反射回波到達雷達天線時,信號發射還沒有結束,自然沒法接收信號並進行目標檢測,因此我們說脈衝波存在感知盲區。

連續波雷達發射的是連續的正弦波,可以發射和接受同步進行。如果信號不進行調製,就叫作單頻連續波,主要用來測量目標的速度。

如果測量目標速度的同時,還要測量目標的距離,就需對發射的波形進行調製,如調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave,簡稱FMCW)等。

在當前通訊系統中,連續波佔據主導地位,以4G和5G採用的正交分頻多工OFDM波形為代表。

通感一體化波形設計主要有以下三大技術路線:以通訊為中心的一體化波形設計、以感知為中心的一體化波形設計、通感聯合的一體化波形設計。

通感聯合的一體化波形固然是最終的目標,但實現的難度也大,性能上是通訊和感知的折衷,目前還處於早期研究階段。

典型的通感聯合的一體化波形 OFDM-Chirp的原理如下圖所示,通訊和感知資料通過分頻多工分別被調製到完全正交的奇數子載波和偶數子載波上,因此可以做到感知和通訊信號互不干擾。

典型的通感聯合的一體化波形 OFDM-Chirp

如果要在基站側集成感知功能,屬於在通訊主業之外的順勢而為,不能喧賓奪主,自然需要以通訊為中心的波形設計。反之,如果在雷達上集成通訊功能,感知自然是第一位的,自然需要以感知為中心的波形設計。

在目前的行動通訊網路中,存在大量的基站,這屬於已投資的沉沒成本。讓這些基站實現感知功能的代價相對較小,但卻開闢了感知的新藍海,因此需首先考慮採用以通訊為中心的波形設計。

業界目前實現的方案是,在傳統的Sub-6G頻段,通訊和感知都採用OFDM連續波;在毫米波頻段,通訊繼續採用OFDM,而感知則採用雷達的波形。無論是Sub-6G還是毫米波,通訊和感知都以時分的方式進行,並且通訊的時隙佔比遠大於感知。

對於通感一體化的網路架構,在無線側有主要兩種方式:單站感知和多站協同感知。

所謂單站感知,也就是同一個基站需要同時發送感知信號並接收目標的反射回波,單槍匹馬獨立自主就可以完成感知功能。本文前面的配圖,基本上都是單站感知的形式。

所謂多站協同感知,是指多個基站之間進行充分的協作,基站1發出感知信號,經過目標反射之後,由基站2來接收並進行感知計算。

行動通訊網路中本來就存在多個基站,這種多站感知模式可以形成大面積、無縫覆蓋的分散式感知系統。要實現多站感知,需要各個基站之間保持嚴格的同步關係。

在核心網側,還需要為感知功能增加一個基於服務化接口的網元,也就是SF(Sensing Function)。這個網元既可以和5G核心網融合部署,也可以獨立部署。

5GC融合架構可支持基站側感知和終端側感知,並能很好地兼顧通訊和感知,兼容性好。獨立部署可實現通訊和感知的能力解耦,感知不依賴於5GC,並可以靈活地和已有感知設備對接,比較適合當前階段部署。

4、通訊感知一體化面臨的挑戰

目前,通訊感知一體化已經在3GPP R19立項研究(TR22.837)。這張宏大的畫卷,將要從構思走向著墨。

下面是通訊感知一體化必須要解決的一些挑戰。

自干擾

要實現通訊感知一體化,就需要在發射信號的同時,接受從探測目標反射回來的回波信號。顯然,發送的信號和回波信號是同頻的,發射鏈路的信號強度一般情況下遠大於接收鏈路,從而對接收鏈路造成強烈的同頻干擾。

這種系統內自己對自己造成的干擾,就叫作「自干擾」。

具體來說,「自干擾」根據來源的不同,有空間域的天線自干擾,還有射頻域自干擾和數字域自干擾。

通感一體化面臨的自干擾挑戰

通感一體化面臨的自干擾挑戰

天線間自干擾指發送端的天線信號直接洩露被接收天線接收。由於接收和發射天線的距離較近,干擾信號能量較大,給後續資料處理帶來很大問題。

射頻干擾指發端射頻鏈路洩露的信號到接收端射頻鏈路的現象。數字自干擾,指發送端進入的部分數字域雜波信號洩露併疊加到接收端,形成干擾源。

上述的天線間的自干擾信號、射頻自干擾信號、數字自干擾信號混雜在探測目標產生的回波信號中,降低了接收信號質量,導致有用信號的佔比降低,增加了目標感知和檢測的難度。

同步問題

單站感知由於收發端共用同一時鐘源,同步對感知影響不大。但對於多站感知,由於信號的發送和接收是由不同基站來進行的,如果基站間不同步,將對感知精度產生很大的影響。

5G通訊系統基站之間,微秒級的同步誤差可以滿足低時延、高可靠通訊的基本需求。然而對於通感一體化,定位精度至少達到米級甚至分米級,收發基站之間1微秒同步誤差,就會導致300米的距離感知誤差。

因此,要實現通感一體化,就必須採用軟硬體演算法把基站之間同步誤差控制在納秒級甚至皮秒級。這是實現高精度感知的必要條件。

算力問題

為了獲取極致的感知體驗,通感系統對感知性能和感知實時性提出了高要求。

比如,對於高速移動目標如車輛的感知,為實時跟蹤車輛的位置,需要短時間內快速處理感知資料並獲取感知結果並回傳給使用者。

對於無人機入侵的感知,由於無人機由於表面積有限,其反射的信號能量很小,需要用高複雜度的演算法解算精確位置。

對於健康醫療來講,後臺需要同時處理海量使用者的健康檢測資料,完成呼吸、心跳等參數的解算。

對於上述通感一體化的應用場景,一方面,我們需要設計高精度的感知演算法,高性能演算法,意味著高複雜度,對於算力的要求也就更高。

另一方面,感知實時性對感知結果的處理和回傳提出極高的要求,需要系統提供更快的傳輸速率、取樣率、以及處理速率。

當前通訊系統,無論網路架構還是硬體很難支撐如此大規模的算力。因此,我們需要將算力納入考慮,將通感一體化的概念擴展為「通感算一體化」。

5、尾聲

「通感」一詞,原本指的是一種勾連不同感官的修辭手法。

比如,「看了蜉蝣君的文章,就像吃了人參果一樣,餘音繞樑,三月不知肉味」這句話就聯通了視覺、味覺、聽覺、嗅覺等多種感官。

將修辭手法中的「通感」用作「通訊感知一體化」的簡稱雖有鳩佔鵲巢之嫌,卻也點明瞭未來通訊網路一網多能的特色,更像是一種雙關的隱喻。

通訊感知一體化利用無線電波讓我們在通訊的同時也開了感知的「天眼」,讓我們能夠「看見」更多,「了解」更多,「創造」更多。

通感一體,未來可期。

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