劉亮 李巖 鄧偉 謝信乾 邵家楓

(1.中國移動通信有限公司研究院，北京 100032；2. 華為技術(shù)有限公司無線網(wǎng)絡研究部，上海 201206)

0 引言

在全球范圍內(nèi)，5G發(fā)展正駛?cè)肟燔嚨?。面向未來，to C應用超高清、沉浸式業(yè)務更普及，to B市場對5G存在更多差異化需求，行業(yè)應用新需求、持續(xù)發(fā)展新需要，將推動5G網(wǎng)絡持續(xù)創(chuàng)新和演進。2021年4月，3GPP正式將R18開始的5G演進命名5G-Advanced，標志著全球5G技術(shù)和標準發(fā)展進入新階段。除了5G原有的移動帶寬增強、超高可靠低時延、海量機器類通信的“三角能力”外，5G-A將向垂直行業(yè)更深領域擴展，加強智能維領域探索，從支撐萬物互聯(lián)到使能萬物智聯(lián)，為社會發(fā)展、行業(yè)升級創(chuàng)造價值。感知服務將是實現(xiàn)未來5G-A智能網(wǎng)絡升級、擴展行業(yè)應用的一個重要支撐能力，通信感知融合成為5G-A一個重要演進方向。

通信感知融合通過通信和感知空口及協(xié)議聯(lián)合設計、軟硬件設備共享，使用相同頻譜資源實現(xiàn)通信功能與感知功能的融合共生，使無線網(wǎng)絡在進行數(shù)據(jù)通信的同時，還能通過分析無線通信信號的直射、反射、散射，獲得對目標對象或環(huán)境信息的感知，實現(xiàn)定位、測距、測速、成像、檢測、識別、環(huán)境重構(gòu)等功能，為提升頻譜利用率和設備復用率、提升通信網(wǎng)絡價值帶來一個全新的維度。

本文圍繞通信感知融合，第1章節(jié)描述了智慧交通、輔助自動駕駛和低空安防等通信感知融合典型應用場景和需求；第2章節(jié)描述了通信感知融合在站址、設備、頻譜和空口四個方面融合體現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢；第3章節(jié)描述了通信感知融合都是關鍵技術(shù)方向，使能構(gòu)建對車輛、行人和低空無人機等移動目標的高精度的探測、跟蹤以及識別能力；第4章節(jié)介紹了車輛和無人機感知兩個場景的外場測試驗證情況；最后，在第5章節(jié)進行了總結(jié)與展望。

1 應用場景與需求

1.1 智慧交通

近年來，我國不斷加強公路信息化建設，提升交通通行效率，降低事故發(fā)生率，逐步向交通智慧化的目標邁進。當前，在高速公路、城市道路及路口都已部署攝像設備，用于車流量統(tǒng)計、異常事件監(jiān)測和違規(guī)車輛稽查等。但視頻類攝像設備監(jiān)測距離短，并且極易受天氣、光照的影響，在夜晚和雨、雪、霧等惡劣天氣下難以進行有效監(jiān)測。無線感知技術(shù)相比攝像設備有探測距離遠，不受天氣影響等優(yōu)勢，已逐步被認為是智慧公路的必備設施。目前，部分路段已經(jīng)部署采用無線感知技術(shù)的交通雷達，并通過與攝像設備的聯(lián)合，實現(xiàn)全天候的道路監(jiān)測。但現(xiàn)有交通雷達使用的頻段為非授權(quán)頻段，其發(fā)射功率受限于頻譜法規(guī)約束，探測距離僅300 m[1]。在高速公路上，能夠用于安裝有源電子設備的基礎設施間距接近1 km，這導致現(xiàn)有交通雷達無法沿高速公路連續(xù)覆蓋，產(chǎn)生較大的監(jiān)控盲區(qū)。如果要實現(xiàn)全路段感知覆蓋，需要額外建設用于安裝感知設備的塔桿，這將導致基建成本大幅增加。

依托通信與感知的融合，能夠讓基站在授權(quán)頻譜上構(gòu)建感知能力，感知信號發(fā)射功率能夠與通信信號功率拉齊，使得單基站能夠?qū)崿F(xiàn)500 m[2]乃至更遠的車輛探測距離，從而能夠在不增加基礎設施成本的前提下實現(xiàn)沿高速公路的全線感知覆蓋。

1.2 輔助自動駕駛

自動駕駛當前是交通行業(yè)的研究熱點，未來實現(xiàn)自動駕駛能夠極大地提升交通通行效率，為社會生活帶來更多便利。但L3及更高等級的自動駕駛需要車輛能夠在高速行駛的過程中對周邊車輛和障礙物進行及時避讓，這需要車輛能夠提前獲取路面狀況信息。當前，車輛上已配備車載雷達和傳感設備，已具備對車輛周邊環(huán)境的感知能力。但僅依靠車載感知無法滿足L3及更高等級的自動駕駛，其原因在于，車輛的視野為平視野，其最大探測距離不超過150 m[3]，這對于高速行駛的車輛無法滿足緊急事件的處理時間要求，另外，在車輛密集場景，不同車輛上配備的車載雷達之間會有很強的干擾，感知精度和準確度都大打折扣。

依托通信與感知的融合，通信基站掛高安裝于道路沿線，視野遠高于車載雷達，單站感知距離可達到1 000 m，能夠滿足超高速行駛車輛的感知需求。同時，多個通感基站會采用相對集中的控制方式進行通信信號設計，不僅能夠規(guī)避站點之間的干擾，還能夠利用多站聯(lián)合感知，提升對道路狀況的更高精度的感知。因此，需要在車輛感知的基礎上增加道路感知能力，通過車路協(xié)同的方式來使能高等級的自動駕駛。另一方面，單車的計算能力難以如此長距離地感知數(shù)據(jù)進行計算處理，因此需要將其感知信息上傳給路側(cè)集中計算單元，以更高效地完成數(shù)據(jù)的運算處理，這對公路通信網(wǎng)絡中上行容量有極大需求，而毫米波頻段的上行超大帶寬可滿足該通信需求。因此，通信與感知的融合將會是未來使能自動駕駛的關鍵技術(shù)手段。

1.3 低空安防

近年來，消費級無人機的發(fā)展有目共睹，與此同時，工業(yè)級無人機的價值也不斷被諸多行業(yè)所認可，尤其在物流、巡檢、植保等領域已經(jīng)有一定規(guī)模的應用，逐步推動著低空經(jīng)濟的發(fā)展。據(jù)預測，未來三年工業(yè)無人機將呈爆發(fā)式增長，預計在2025年，工業(yè)級無人機的數(shù)量相比于2020年將增長至四倍[4]。但無人機行業(yè)如此快速的發(fā)展也帶來一些安全隱患，國內(nèi)外都出現(xiàn)過由無人機造成的事故和威脅，由于缺乏有效的探測和反制手段，各個國家和區(qū)域也相應地制定了強硬的管制措施限制無人機的飛行。尤其在城市中，諸如廣場、體育館等人員密集的區(qū)域都禁止無人機的飛行，以防止黑飛無人機帶來的潛在威脅。這無疑阻礙了行業(yè)無人機的規(guī)模應用。

目前，在反無人機技術(shù)領域，基于到達時間差技術(shù)的無人機偵測設備有較多應用，其原理是通過對無人機控制臺與無人機之間的通信信號進行監(jiān)聽，以探測無人機的位置。但是對于采用頻段切換，或無線電靜默的無人機卻難以進行探測。依托通信與感知的融合，基站采用主動感知方式，通過接收無人機對基站發(fā)射信號的反射回波進行分析對目標進行探測和跟蹤，對有通信鏈路和靜默的無人機都可以進行有效探測。

在通信方面，當前行業(yè)無人機尤其是物流無人機都需要超視距飛行，傳統(tǒng)的基于Wi-Fi技術(shù)的通信鏈路無法滿足如此長距離的通信。而采用第五代移動通信技術(shù)(5G)蜂窩網(wǎng)絡為這類無人機提供通信服務是最為有效的解決方案。利用5G蜂窩網(wǎng)絡的超大帶寬能力，能夠同時服務大量的行業(yè)無人機執(zhí)行飛行任務；利用5G蜂窩網(wǎng)絡的高可靠低時延的通信能力，能夠為超視距的無人機控制提供有效的通信保障，避免由于控制滯后導致出現(xiàn)無人機的碰撞等事故。同時，無人機可以利用5G網(wǎng)絡實時上報位置、飛行狀態(tài)和環(huán)境物理信息，為控制者提供更有效的控制操作?？梢钥闯觯磥淼涂战?jīng)濟的發(fā)展同時需要廣域感知和通信能力，而通信與感知的融合技術(shù)將會是最有效的技術(shù)手段。

2 通信感知融合的技術(shù)優(yōu)勢

通信感知融合的技術(shù)優(yōu)勢建立在二者融合的緊密程度上，其從融合維度上包括4個方面，即站點融合、設備融合、頻譜融合和空口融合[5]。

(1)站點融合：蜂窩通信網(wǎng)絡中部署基站的站址是運營商極為重要的資產(chǎn)，如果要單獨為感知重新構(gòu)建一張廣域的網(wǎng)絡，為此新增加的站址是網(wǎng)絡建設最大的成本所在。因此，感知復用現(xiàn)有蜂窩通信網(wǎng)絡的站址，通過站址融合，能夠完全避免由于新獲取站址和基礎設施建設帶來的成本。同時，隨著蜂窩通信網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，通信基站的站址資源已廣域分布，尤其在城市內(nèi)較為密集，依托已有站址建設感知網(wǎng)絡能夠構(gòu)建一張廣域無縫感知覆蓋的網(wǎng)絡。

(2)設備融合：5G基站設備已采用大規(guī)模天線技術(shù)，通過密集的天線陣列實現(xiàn)強指向性的波束，尤其在毫米波段上采用了相控陣技術(shù)，通過相位調(diào)整實現(xiàn)大范圍的波束掃描。這使得在通信硬件能夠天然的實現(xiàn)相控陣雷達的功能，通信與感知設備的融合水到渠成。同時，蜂窩網(wǎng)絡除了能夠?qū)崿F(xiàn)無線電信號的發(fā)送與接收之外，還具備強大的計算處理能力，利用蜂窩系統(tǒng)已經(jīng)具備的計算能力使能更先進的感知算法，提升感知能力。此外，通信與感知共用相同的設備能夠相比獨立設備能夠降低總能耗，有益于降低碳排放。

(3)頻譜融合：針對蜂窩網(wǎng)絡所使用的國際移動通信IMT頻譜，頻譜法規(guī)中規(guī)定的基站的最大發(fā)射功率遠高于非授權(quán)頻段所允許的功率，這使得在感知與通信共享頻譜之后，基站能夠采用相比于傳統(tǒng)雷達頻譜上更高的發(fā)射功率用于感知信號的發(fā)送，從而大幅提升感知距離。

(4)空口融合：從長期演進(Long Term Evolution，LTE)到5G，蜂窩網(wǎng)絡都采用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)作為通信信號的波形，而雷達領域的常用波形為調(diào)頻連續(xù)波(Frequency-Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)，若通信與感知在空口維度仍采用差異化設計，不僅會導致硬件設計上需要同時支持兩種波形的發(fā)送和接收功能，增加硬件設備的復雜度，還會約束二者在頻譜共享上的靈活程度，無法采用符號級的復用，導致通信性能的額外損失。因此，通信與感知的空口融合既能夠避免增加硬件復雜度，又能夠提升二者的復用效率。

綜上，通信與感知在站址、設備、頻譜和空口進行全方位的融合后，相比于二者獨立設計在成本、感知能力、資源復用效率、硬件復雜度和節(jié)能方面都具備明顯優(yōu)勢。

3 關鍵技術(shù)方向

為滿足智慧交通和低空等場景的感知需求，5G-Advanced通信感知融合依托如下關鍵技術(shù)，能夠構(gòu)建對車輛、行人和低空無人機等移動目標的高精度的探測、跟蹤以及識別能力。

3.1 高隔離大孔徑天線

針對無人機探測場景，由于無人機目標體積和雷達反射截面積很小，如典型的消費級無人機在毫米波頻段的雷達反射截面積(Radar Cross-Section，RCS)大約0.01～0.02 m2，對于小RCS的目標，基站需要采用足夠大的發(fā)射功率和波束增益來進行感知信號發(fā)送，以保證能對其進行有效探測?？紤]到基站處于感知模式下，其天線工作在同時同頻全雙工模式，需要發(fā)送天線和接收天線之間有足夠大的隔離度，才能將自干擾信號能量降到足夠低，以避免接收通道被阻塞。因此，在硬件技術(shù)上需要采用高隔離天線技術(shù)[6-7]，在不明顯增加收發(fā)天線物理間距的條件下，盡可能地提升收發(fā)天線的隔離度。

此外，感知在距離和方位向的位置精度也是關鍵指標之一，對距離向感知精度，其由感知信號帶寬和目標信雜噪比決定，當前對于IMT毫米波段，有較大的帶寬來達到亞米級的距離向感知精度。但方位向的感知精度受限于天線孔徑，若基于5G硬件的天線孔徑，則對于500 m遠的目標的方位向位置精度僅為米級，因此在硬件技術(shù)上需要采用更大孔徑的天線以提升方位向的位置精度，使得目標在兩維平面或三維空間的位置精度亦可達到亞米級。

3.2 高維超分辨感知

無論在交通場景還是無人機場景，都需要能夠?qū)δ繕说念愋瓦M行的識別能力。在交通場景，需要能夠?qū)Υ笮涂ㄜ?、中型貨車、小汽車、電動自行車和行人進行分類；在低空場景，需要對機械類無人機與飛鳥進行識別區(qū)分，避免飛鳥造成的虛警，浪費警力。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)高準確度的目標識別能力，在算法技術(shù)上可采用高維超分辨感知[8]，一方面通過更復雜的超分辨算法對單一維度的目標信息實現(xiàn)更精細化的提取，另一方面，將各個維度，如距離、速度、角度乃至微多普勒信息進行聯(lián)合分析，通過提升算法復雜度來增強對目標輪廓特征的分辨能力。當然，采用更先進的算法勢必會對運算能力提出更高的要求，但當前蜂窩通信系統(tǒng)包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)都具備強大的運算處理能力，相比于現(xiàn)有的雷達及其他無線電偵測設備都有斷裂式的算力優(yōu)勢，這使得基于蜂窩網(wǎng)絡的通信感知融合能夠在算法上對現(xiàn)有感知技術(shù)形成巨大的優(yōu)勢。

3.3 群域感知

5G通信網(wǎng)絡采用了多站協(xié)同傳輸技術(shù)，通過多站點聯(lián)合服務同一個用戶，以實現(xiàn)以用戶為中心的無差別通信體驗。多站協(xié)同方案亦可應用于感知，利用多站對重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)的目標進行多角度探測，能夠大幅提升目標的探測成功率和精度[9]，降低遮擋概率。尤其在探測精度方面，利用多站協(xié)同感知，可以彌補目標方位向位置精度低的短板，使得其在水平面兩維的位置精度逼近距離向精度，達到亞米級。

4 技術(shù)能力驗證

為了驗證通信感知融合技術(shù)的基本感知能力，采用5G基站設備分別在交通場景和低空場景對車輛感知和無人機感知進行了測試[10]，其中5G基站設備的參數(shù)配置為：頻點26 GHz，天線4T4R，EIRP 62 dBm，OFDM波形。

4.1 車輛感知測試

5G基站設備安裝于道路中心位置，離地面高度約6 m，天線法向方向與道路方向平行。被測試車輛在距離5G基站設備50 m處，遠離基站方向直線行駛，并且以40 km/h定速巡航模式行駛，此過程中記錄感知到車輛的距離、位置和速度。

5G基站設備感知到的車輛的軌跡與實際行駛軌跡的對比如圖1所示。其中，紅色點跡為不同時間感知到車輛位置的結(jié)果，藍色直線為車輛實際的行駛軌跡?？梢钥闯?，當被測車輛行駛與基站距離達520 m處時仍能被探測到，且軌跡連續(xù)無缺失。進一步地，基于每個點位被感知的位置和速度進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到被測車輛的角度精度約0.2°，被測車輛的速度誤差的中位值約0.1 km/h。

圖1 車輛感知軌跡與實際軌跡圖

4.2 無人機感知測試

5G基站設備安裝于建筑物樓頂，離地面高度約25 m，天線的法線方向與地面平行。被測試無人機為RCS典型值為0.01 m2的小型無人機，該無人機在天線法線方向水平+/-60°的范圍內(nèi)，且距離基站設備100 m處起飛，升至30 m高度后，沿預設路徑飛行，此過程中記錄感知到無人機的距離和位置。

5G基站設備感知到的無人機的軌跡與預設行駛軌跡的對比如圖2所示，其中，圖2(a)中是無人機預設飛行軌跡，圖2(b)為不同時刻感知到無人機位置的結(jié)果圖線?？梢钥闯?，無人機被探測到的軌跡與其預設飛行軌跡的形狀較為吻合，且軌跡也具備較高的完整度。此外，當被測無人機飛行至與基站距離達500 m外的位置時，也仍然能被基站感知到。

圖2 無人機預設軌跡與感知軌跡對比

5 結(jié)束語

5G-Advanced通信感知融合技術(shù)能夠在蜂窩通信網(wǎng)絡上構(gòu)建有競爭力的感知能力，測試表明，其能夠?qū)囕v和無人機等移動目標的感知距離超過500 m，角度精度達0.2°，速度精度達0.1 km/h。依托通信感知融合，蜂窩網(wǎng)絡將為諸如交通和低空等行業(yè)等帶來更多的價值。