01什么是“通感一體化”?

通信感知一體化Integrated sensing and communication (ISAC)，簡(jiǎn)稱通感一體化，是第6代移動(dòng)通信技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱“6G”)的研究熱點(diǎn)之一，顧名思義就是通信和感知進(jìn)行融合。 “通信”是指對(duì)信息進(jìn)行傳輸，我們上大學(xué)時(shí)學(xué)過樊昌信的《通信原理》，上面描述通信是指人與人或人與自然之間通過某種行為或媒介進(jìn)行的信息交流與傳遞。而“感知”呢?它是一個(gè)認(rèn)知學(xué)名詞，我們身體上的每一個(gè)器官接受外接的信號(hào)并轉(zhuǎn)換成為感覺信號(hào)，再經(jīng)由大腦進(jìn)行處理，帶來了對(duì)外界事物信息的感知，包括但不限于位置、大小、速度、組成、形狀等等。隨著科技的發(fā)展，我們感知外界事物的方法變得多樣化，除了通過自身器官感知之外，還能借助一系列其他手段感知外界事物，比如借助無線電感知，就是雷達(dá)Radar(RAdio Detection And Aanging);比如借助激光感知，就是Lidar(Light Detection And Ranging) ;比如借助聲波感知，就是聲納Sonar(Sound Navigation And Ranging)。感知可分為兩種，即被動(dòng)感知和主動(dòng)感知。被動(dòng)感知是指設(shè)備不發(fā)射信號(hào)，只接收目標(biāo)對(duì)象發(fā)射的電磁波進(jìn)行感知，也叫無源感知，比如天文學(xué)中的射電望遠(yuǎn)鏡，感知天體發(fā)射的微弱電磁波，轉(zhuǎn)化成可識(shí)別的信號(hào)。主動(dòng)感知最著名的技術(shù)就是通常意義上的雷達(dá)，雷達(dá)設(shè)備發(fā)射電磁波，經(jīng)過目標(biāo)對(duì)象反射后，接收目標(biāo)的回波進(jìn)行感知。因此，感知領(lǐng)域最廣為人知的就是雷達(dá)了。

通感一體化就是在下一代無線通信系統(tǒng)中復(fù)用無線資源進(jìn)行感知，利用通信系統(tǒng)提供感知服務(wù)，利用一套基礎(chǔ)建設(shè)搭建通信和感知兩張網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信與感知兩種業(yè)務(wù)的深度復(fù)用，構(gòu)建移動(dòng)通信的新范式，拓展無線通信的功能邊界。

通感一體化作為下一代移動(dòng)通信的研究熱點(diǎn)之一，其設(shè)計(jì)初衷有以下三點(diǎn)：

雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)是頗有淵源的，有非常多的共同之處，例如硬件架構(gòu)、信號(hào)處理等方面非常類似。這就為融入提供了可能，并且希望能夠不改動(dòng)或者少改動(dòng)現(xiàn)有系統(tǒng)。如果考慮要商用，這是無法避免的一個(gè)成本話題，這種一體化的設(shè)計(jì)能夠獲得“增益”。

無線頻譜資源是有限的，下一代無線通信系統(tǒng)希望實(shí)現(xiàn)感知，最理想的就是復(fù)用現(xiàn)在的通信頻段，實(shí)現(xiàn)感知和通信頻譜共享，提高頻譜利用率。

希望通信與感知系統(tǒng)能夠互惠互利，讓無線通信和無線感知兩個(gè)功能在同一系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)共享，利用通信提供感知服務(wù)，同時(shí)，感知服務(wù)反饋通信，提高服務(wù)質(zhì)量，從而獲得一體化系統(tǒng)的“協(xié)作增益”。

02通感一體化的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展、產(chǎn)業(yè)界現(xiàn)狀及潛在落地的應(yīng)用場(chǎng)景

標(biāo)準(zhǔn)化方面，國內(nèi)IMT-2020(5G)和IMT-2030(6G)專門成立了研究通感一體化的攻關(guān)小組，積極研究通感一體的技術(shù)方案。2022 至2023 年間，連續(xù)發(fā)布了《5G-Advanced 通感融合場(chǎng)景需求研究報(bào)告》、《通信感知一體化技術(shù)研究報(bào)告》、《通感融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究報(bào)告》等相關(guān)文獻(xiàn)。國際通信標(biāo)準(zhǔn)化3GPP(3rd Generation Partnership Project)組織Release 19已經(jīng)立項(xiàng)了對(duì)通感一體化的可行性研究，并于2022年5月發(fā)布了3GPP TR 22.837 技術(shù)報(bào)告的第一版，近兩年又增加了對(duì)感知信道模型和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等前沿研究。

近年來通感一體化逐漸從學(xué)術(shù)界延申到產(chǎn)業(yè)界生根發(fā)芽。基于雷達(dá)的目標(biāo)感知和目標(biāo)成像在雷達(dá)領(lǐng)域是比較成熟的，且應(yīng)用于汽車?yán)走_(dá)、合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)等領(lǐng)域。借助于雷達(dá)領(lǐng)域的成熟技術(shù)，產(chǎn)學(xué)研各界將感知移植到無線通信領(lǐng)域中，在近年來取得了一系列的研究成果。以基站設(shè)備商、運(yùn)營商為代表的產(chǎn)業(yè)界在過去兩年投入了巨大的精力和資源，成功進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。目前國內(nèi)通感一體化集中研究的頻段兩個(gè)頻段，一個(gè)是在5G通信的毫米波頻段即26GHz頻段左右，該頻段是3GPP中標(biāo)準(zhǔn)的5G FR2頻段，國內(nèi)還未開始商用。一個(gè)是在5G通信的FR1頻段，目前集中在4.9GHz，該頻段主要由工信部部署給中國移動(dòng)運(yùn)營商使用。2024年5月起，中國移動(dòng)組織各大基站設(shè)備商以FR1 4.9GHz為代表、FR2毫米波為輔助進(jìn)行了集中的實(shí)驗(yàn)室新技術(shù)實(shí)驗(yàn)，外場(chǎng)環(huán)境試驗(yàn)，在全球范圍內(nèi)首先啟動(dòng)4.9GHz 通感一體規(guī)模組網(wǎng)試點(diǎn)，計(jì)劃在不少于十個(gè)省份，部署數(shù)百站規(guī)模，探索商業(yè)落地模式。2024年6月中國電信和中國聯(lián)通也啟動(dòng)了針對(duì)于毫米波的通感一體化新技術(shù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和外場(chǎng)試驗(yàn)，探索基站部署方式。

在通感一體化的落地應(yīng)用方面，目前越來越明確。中國運(yùn)營商針對(duì)中國國情，提出了三個(gè)方面的落地應(yīng)用：

1低空經(jīng)濟(jì)

低空經(jīng)濟(jì)是以各種有人駕駛和無人駕駛航空器的各類低空飛行活動(dòng)為牽引，輻射帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟(jì)形態(tài)，涉及居民消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用兩大場(chǎng)景?！暗涂战?jīng)濟(jì)”在2024年3月全國兩會(huì)首次寫入政府工作報(bào)告。近日，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、財(cái)政部、中國民用航空局印發(fā)《通用航空裝備創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)施方案(2024—2030年)》(以下簡(jiǎn)稱《方案》)，提出到2030年，推動(dòng)低空經(jīng)濟(jì)形成萬億級(jí)市場(chǎng)規(guī)模。城市部署的現(xiàn)成的密集基站的覆蓋可利用現(xiàn)有資源有效形成對(duì)難以捕捉的低空飛行器的實(shí)時(shí)跟蹤和路線規(guī)劃，基于地面基站的通感一體化的低空安防、低空物流跟蹤、地空一體化協(xié)同監(jiān)管將會(huì)成為低空經(jīng)濟(jì)增長的強(qiáng)大推動(dòng)力。同時(shí)，2024 年1 月，國務(wù)院、中央軍委聯(lián)合頒布的《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》正式施行，標(biāo)志著我國無人機(jī)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入“有法可依”規(guī)范化發(fā)展新階段。

2航道管理

航道是國家重要的公益性交通基礎(chǔ)設(shè)施，是綜合交通運(yùn)輸體系的重要組成部分。交通運(yùn)輸部關(guān)于加強(qiáng)“十四五”期全國航道管理工作的意見指出，我國航道養(yǎng)護(hù)里程穩(wěn)定在10.8萬公里左右，內(nèi)河航道一類養(yǎng)護(hù)達(dá)到2.4萬公里，力爭(zhēng)內(nèi)河高等級(jí)航道電子航道圖覆蓋率60%以上。目前的船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Traffic Services, VTS)通過船只上報(bào)信息、雷達(dá)與視頻聯(lián)動(dòng)等方式獲取船只位置，但對(duì)于船只拒不上報(bào)、雷達(dá)近處感知盲區(qū)等場(chǎng)景仍需進(jìn)一步提升?；诤降乐苓叢渴鸬幕镜耐ǜ幸惑w化技術(shù)具備全天候作業(yè)、無需船只上報(bào)、無需船只配合、信號(hào)覆蓋連續(xù)等優(yōu)勢(shì)，可進(jìn)一步強(qiáng)化航道暢通保障能力，強(qiáng)化航道規(guī)范管理，推進(jìn)智慧航道發(fā)展，推進(jìn)航道基礎(chǔ)設(shè)施信息數(shù)字化，逐步實(shí)現(xiàn)全國內(nèi)河高等級(jí)航道“一張圖”覆蓋。

3海洋監(jiān)測(cè)

我國作為海洋大國,近年來海洋事業(yè)在國家發(fā)展中 的戰(zhàn)略地位和作用日益凸顯。由于歷史原因和國際政治風(fēng)云變化,我國近海權(quán)益面臨錯(cuò)綜復(fù)雜的形勢(shì), 資源盜采、非法測(cè)繪、非法捕撈、非法闖入、非法通行等行為頻發(fā), 我國大部分管轄近海尚未實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控,只能依靠執(zhí)法船巡航、近岸監(jiān)控視頻、衛(wèi)星遙感等手段予以應(yīng)對(duì), 各種監(jiān)視系統(tǒng)間缺乏信息共享，協(xié)同監(jiān)視能力弱、時(shí)效性差。基于近?；尽⒑Ｑ髰u嶼 基站的通感一體化技術(shù)可有效解決船只不配合應(yīng)答、全天候、全氣象條件下的智慧海洋監(jiān)測(cè)。早在2019年我國最南端的三沙市即部署了5G基站， 借助于通感一體化技術(shù)，這些部署在天之涯海之角島礁上的通信基站將會(huì)發(fā)揮巨大的監(jiān)管作用，有助于我國建成海洋強(qiáng)國。

03通感一體化的測(cè)試痛點(diǎn)及解決方案

技術(shù)落地，測(cè)試先行。通感一體化是一項(xiàng)全新的融合技術(shù)，給相應(yīng)的測(cè)試帶來了巨大的挑戰(zhàn)。首先，研究人員不可能每次測(cè)試或者算法驗(yàn)證都在外場(chǎng)進(jìn)行，而且業(yè)界對(duì)感知能力的技術(shù)驗(yàn)證和測(cè)試大多基于實(shí)際物體，測(cè)試場(chǎng)景有限、模擬目標(biāo)的數(shù)量單一并且設(shè)置不靈活。算法的完善、硬件的完善、信道模型的建設(shè)甚至更多實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，都還依賴于實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境的搭建。通感一體化應(yīng)用中最重要的場(chǎng)景是實(shí)現(xiàn)定位的功能，尤其是對(duì)目標(biāo)物體的定位，實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)物體的距離、方位、速度等方面的探測(cè)。如果考慮到目標(biāo)物體沒有通信功能，移動(dòng)特征又不相同，實(shí)現(xiàn)起來更加困難。這就需要一個(gè)功能強(qiáng)大，穩(wěn)定性、精度等性能可以滿足需求的測(cè)試方案，匹配真實(shí)場(chǎng)景對(duì)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行評(píng)估。針對(duì)不同的頻段，通感一體化可能具有不同的應(yīng)用場(chǎng)景。只支持單一頻段的測(cè)試方案將大大增加研發(fā)成本。這就需要一套統(tǒng)一的感知測(cè)試方案，例如核心設(shè)備不變，配套設(shè)備可以靈活地根據(jù)頻段需求進(jìn)行配置。另外，針對(duì)FR1頻段，由于暗室尺寸太大，OTA的方案成本太高，需要采用傳導(dǎo)的方案進(jìn)行測(cè)試，而針對(duì)FR2或者太赫茲頻段，傳統(tǒng)的傳導(dǎo)方式不再適用，即使是對(duì)感知功能的測(cè)試，也需要在暗室進(jìn)行OTA測(cè)試。這也勢(shì)必需要一個(gè)全新的暗室方案，針對(duì)通感一體化的需求進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，在驗(yàn)證通感一體化算法和信號(hào)質(zhì)量驗(yàn)證方面，也需要有能產(chǎn)生通感一體化波形和信號(hào)質(zhì)量分析的平臺(tái)來評(píng)估其算法的性能和波形質(zhì)量的性能。因此迫切需要建設(shè)一套適合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境的通感一體化解決方案。

羅德與施瓦茨 (Rohde & Schwarz，以下簡(jiǎn)稱R&S) 公司專注于測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域90多年，對(duì)于通感一體化的測(cè)試驗(yàn)證早在從2021年12月份開始和中國移動(dòng)研究院研究如何在實(shí)驗(yàn)室搭建符合當(dāng)前通感一體化預(yù)研需求的測(cè)試平臺(tái)。目前在目標(biāo)模擬、信號(hào)產(chǎn)生和信號(hào)分析方面都有相應(yīng)的解決方案。

1目標(biāo)模擬解決方案

針對(duì)于目標(biāo)模擬，R&S公司最新的動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器R&S AREG800A是專門的目標(biāo)模擬器，可以輕松根據(jù)用戶需求，產(chǎn)生多個(gè)具有不同距離、大小、速度的目標(biāo), 不僅可以模擬靜態(tài)目標(biāo)場(chǎng)景，還可以模擬動(dòng)態(tài)目標(biāo)場(chǎng)景，例如多個(gè)目標(biāo)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，有些目標(biāo)運(yùn)動(dòng)、有些目標(biāo)靜止的場(chǎng)景?？梢源钆溥m合不同頻段的射頻前端模塊，實(shí)現(xiàn)基于Sub-6G、毫米波甚至太赫茲頻段的通感一體化測(cè)試，同時(shí)需要把射頻前端模塊的變頻損耗、變頻時(shí)延、以及相位變化對(duì)目標(biāo)模擬的影響考慮進(jìn)去，在目標(biāo)模擬器中做好相應(yīng)的補(bǔ)償。它的主機(jī)支持頻率0.7GHz到5.7GHz，適合于5G FR1頻段的通感一體化實(shí)驗(yàn);配合R&S公司射頻前端FE44S 使用，可支持5G毫米波24-44GHz的通感一體化測(cè)試;配合R&SAREG8-24S/-24D可支持24 GHz汽車?yán)走_(dá)頻段，配合射頻前端R&SAREG8-81S/-81D或R&SQAT100先進(jìn)天線陣列可支持 77 GHz/79 GHz 的汽車?yán)走_(dá)頻段，確保與未來的短程雷達(dá)傳感器兼容，滿足當(dāng)今和未來的測(cè)試要求。

圖4 R&S公司的動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器R&S AREG800A及其界面

圖5 R&S公司的射頻前端R&S FE44S正面及背面

R&SAREG800A滿足苛刻的所有要求有目標(biāo)回波的應(yīng)用，例如在早期研發(fā)、芯片組開發(fā)期間模擬具有動(dòng)態(tài)距離變化的物體，在 通感一體化的早期驗(yàn)證期間的感知波形驗(yàn)證、感知算法開發(fā)、感知精度和實(shí)時(shí)性驗(yàn)證、分辨率驗(yàn)證功能等，其模擬的目標(biāo)距離最小可短至< 4 m，利用可選的內(nèi)部模擬步進(jìn)延遲線路，用于驗(yàn)證例金距離的感知測(cè)試;最遠(yuǎn)距離目前已經(jīng)拓展到20km，用于海域場(chǎng)景的目標(biāo)感知，專為遠(yuǎn)距離感知場(chǎng)景而設(shè)計(jì)。同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)可能的重疊目標(biāo)，目標(biāo)距離的分辨率達(dá)到厘米級(jí)。模擬多達(dá)8個(gè)具有單獨(dú)距離、物體大小的目標(biāo)，具有單獨(dú)的距離，物體大小和徑向速度在單個(gè)通道上一起使用時(shí)最多32個(gè)目標(biāo)模擬，充分滿足大規(guī)模目標(biāo)虛警率和誤警率的測(cè)試?；贔PGA強(qiáng)力的運(yùn)算能力，多普勒速度的模擬能力最大可達(dá)到500km/h，與此同時(shí)，多普勒速度的分辨精度達(dá)到<0.001 km/h。目標(biāo)信息的更新率在通用情況下可達(dá)10ms/次，如果使用實(shí)時(shí)硬件在環(huán)環(huán)境，則目標(biāo)刷新率可達(dá)到0.1ms/次。

通感一體化目標(biāo)模擬方案在OTA場(chǎng)景中如下圖，目標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)的距離，速度，和RCS，而天線的波束方向模擬目標(biāo)的回波方向。對(duì)于FR1的通感一體化，R&S公司目標(biāo)模擬器R&S AREG800A主機(jī)直接支持。對(duì)于毫米波通感一體化，R&S公司動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器R&S AREG800A配合射頻前端FE44S，實(shí)現(xiàn)到毫米波的變頻，組成的通感一體化測(cè)試平臺(tái)，使用一臺(tái)AREG800A，配合兩臺(tái)FE44S，一個(gè)充當(dāng)發(fā)射，一個(gè)充當(dāng)接收，通過天線來實(shí)現(xiàn)回波的方向，如圖6所示，從而實(shí)現(xiàn)一臺(tái)主機(jī)同時(shí)支持FR1和FR2。

圖6 R&S公司通感一體化OTA測(cè)試方案連接示意圖

而FR1頻段業(yè)界目前建議采用傳導(dǎo)測(cè)試。因?yàn)镕R1頻段的幾種天線尺寸大，如果要采取OTA測(cè)量，則要求遠(yuǎn)場(chǎng)的距離要求大于45米，需要的暗室場(chǎng)地太大;同時(shí)，如果采取緊縮場(chǎng)，目標(biāo)的方向性只能在徑向上得到模擬，其他方向無法模擬。通感一體化目標(biāo)模擬方案的傳導(dǎo)測(cè)試連接如下圖7所示，R&S公司動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器R&S AREG800A接收FR1基站信號(hào)做目標(biāo)模擬，可以模擬4m~3000m的目標(biāo)，每個(gè)通道可以模擬8個(gè)目標(biāo)，每個(gè)目標(biāo)的RCS， 速度，距離都可單獨(dú)設(shè)置。對(duì)于Sub 6GHz的信號(hào)，單機(jī)可模擬4個(gè)通道。因此最多可模擬32個(gè)目標(biāo)。目前對(duì)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)已經(jīng)能模擬20km的目標(biāo)。因?yàn)闆]有天線來模擬目標(biāo)的回波方向，所以要加上移相器矩陣來模擬目標(biāo)的方向。這對(duì)模擬器提出了巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度、距離和方位是同時(shí)變化的，要求模擬器能和移相器進(jìn)行同步。目前AREG800A模擬器已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)模擬器輸出trigger，也能接收外部發(fā)出的trigger，實(shí)現(xiàn)了模擬器和移相器的同步。輸出的Trigger和來自外部的trigger都可以自由設(shè)置trigger offset，用于補(bǔ)充路徑上可能有的延遲，實(shí)現(xiàn)精確的觸發(fā)測(cè)量。在基站傳導(dǎo)的靈敏度測(cè)試用例中，也能接收來自基站發(fā)出的trigger，實(shí)現(xiàn)精確的靈敏度測(cè)試。

圖7 R&S公司 FR1通感一體化傳導(dǎo)測(cè)試方案連接示意圖

圖8是在2024年巴薩羅那通信展上R&S公司展出的通感一體化測(cè)試方案，在方案中，使用了信號(hào)源R&SSMA200A和頻譜分析儀R&SFSW當(dāng)作雷達(dá)，一發(fā)一收來模擬帶感知功能的雷達(dá)的。信號(hào)源R&SSMW200A發(fā)射寬帶的5G信號(hào)混合線性調(diào)頻信號(hào)的通感一體化的信號(hào)，頻譜分析儀R&SFSW來接收經(jīng)過目標(biāo)模擬器R&S AREG800A之后回來的回波信號(hào)，采集IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的算法分析，得到目標(biāo)具體、速度等，感知目標(biāo)特征。同時(shí)，當(dāng)信號(hào)源發(fā)CW信號(hào)時(shí)，還可以從頻率儀讀出多普勒頻偏，如果有網(wǎng)絡(luò)分析儀，還可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量出雷達(dá)發(fā)出信號(hào)和雷達(dá)收到信號(hào)之間的時(shí)延差。

圖8 R&S公司在2024巴薩羅那通信展上展示毫米波通感一體化測(cè)試方案

對(duì)于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，模擬器呈現(xiàn)的是基站的本地坐標(biāo)系，即基站的天線陣列中心為原點(diǎn)的距離、方位。基站對(duì)目標(biāo)的感知通常上報(bào)的是目標(biāo)的經(jīng)緯高度信息，因此需要模擬器能夠把目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡和經(jīng)緯度信息關(guān)聯(lián)起來。R&S AREG800A已經(jīng)能夠把目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡和通用的經(jīng)緯高度信息關(guān)聯(lián)。如圖9，以基站天線陣列的中心為原點(diǎn)，站心坐標(biāo)系采取正東向?yàn)閤軸，正北向?yàn)閥軸，指向天空為z軸，那么在AREG800A上的運(yùn)動(dòng)軌跡在本地坐標(biāo)系的任意時(shí)刻位置可以描述出，該軌跡可以轉(zhuǎn)換成全球通用的WGS-84地心坐標(biāo)系坐標(biāo)，即GPS通用的經(jīng)度、緯度、海拔高度信息。該值可為儀表提供的軌跡真值，可與基站定位上報(bào)的目標(biāo)經(jīng)緯度度信息對(duì)比，即可測(cè)量出運(yùn)動(dòng)軌跡的定位誤差。同樣，對(duì)于外場(chǎng)真實(shí)目標(biāo)通過GPS接收機(jī)接收到的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡(包含有經(jīng)度、緯度、海拔高度信息)，也轉(zhuǎn)變成以基站為參考視角的本地運(yùn)動(dòng)軌跡，導(dǎo)進(jìn)入目標(biāo)模擬器來進(jìn)行模擬。

圖9 R&S AREG800A模擬器的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡與全球地理坐標(biāo)WGS-84坐標(biāo)的互相轉(zhuǎn)換

2信號(hào)生成解決方案

通感一體化技術(shù)落地的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于如何在現(xiàn)行通信系統(tǒng)中加入感知信號(hào)。當(dāng)前4G、5G通信系統(tǒng)采用的都是采用的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)信號(hào)。OFDM信號(hào)若用作感知波形，其優(yōu)點(diǎn)是不存在近端盲區(qū)，但收發(fā)難以隔離，為保證收發(fā)隔離度，發(fā)射功率較低、覆蓋距離有限。考慮到雷達(dá)系統(tǒng)常用的信號(hào)是線性調(diào)頻脈沖(Chirp 脈沖)，其感知覆蓋范圍可達(dá)千米，但存在近端盲區(qū)。中國運(yùn)營商提出通過線性調(diào)頻脈沖和OFDM符號(hào)相結(jié)合的混合信號(hào)做為感知信號(hào)，融合通信和雷達(dá)兩種波形技術(shù)優(yōu)勢(shì)，OFDM符號(hào)覆蓋近距離、脈沖覆蓋遠(yuǎn)距離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近連續(xù)覆蓋。目前中國移動(dòng)首創(chuàng)提出可擴(kuò)展的通感融合幀結(jié)構(gòu)，以N79 頻段典型2.5ms 雙周期DDDSUDDSUU 幀結(jié)構(gòu)為例，將感知脈沖承載于下行時(shí)隙的開頭部分4個(gè)符號(hào)，確保規(guī)避遠(yuǎn)端干擾;感知脈沖后3 個(gè)符號(hào)靈活選取是用脈沖還是OFDM符號(hào)，OFDM符號(hào)可用于近距離，覆蓋近遠(yuǎn)距離的需求;如果需要感知的目標(biāo)位于海域距離比較遠(yuǎn)(例如20km)時(shí)，則將這三個(gè)符號(hào)用于脈沖，可覆蓋超遠(yuǎn)距離的目標(biāo)感知。這樣靈活選取的結(jié)構(gòu)開銷非常低，滿足感知和通信同時(shí)工作的平衡。

圖10 中國移動(dòng)提出的“4P3C”典型通感一體化幀結(jié)構(gòu)

在通感一體化基站原型機(jī)驗(yàn)證中，通常需要加入鄰小區(qū)的通感信號(hào)來模擬對(duì)其他小區(qū)通信和感知的干擾。那么這樣的信號(hào)如何產(chǎn)生?R&S公司先進(jìn)的矢量信號(hào)源SMW200A采用靈活的模塊化設(shè)計(jì)，既能產(chǎn)生復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)通信信號(hào)如2G/3G/4G/5G，又能產(chǎn)生自定義的OFDM信號(hào)，還有強(qiáng)大的脈沖序列模擬軟件Pulse sequencer，非常適合產(chǎn)生通感一體化波形的前期驗(yàn)證和干擾產(chǎn)生。

以“4P3C”信號(hào)為例，為了能產(chǎn)生通感一體化信號(hào)波形，我們需要分別產(chǎn)生三個(gè)方面的信號(hào)，分別是通信信號(hào)(例如2.5ms 雙周期DDDSUDDSUU 幀結(jié)構(gòu)的信號(hào))、用于感知的“4P”(即4個(gè)符號(hào)的Chirp脈沖)、用于感知的“3C”(即3個(gè)符號(hào)的OFDM感知信號(hào))。然后在Pulse sequencer軟件中合成。

通信信號(hào)的產(chǎn)生需要用到SMW K144 5G選件，設(shè)置好小區(qū)ID號(hào)，按照2.5ms 雙周期DDDSUDDSUU 幀結(jié)構(gòu)，空出每個(gè)2.5ms的前7個(gè)符號(hào)，如圖11。

圖11：R&S SMW200A K144 5G選件產(chǎn)生通感一體化信號(hào)的通信信號(hào)

“3C”感知信號(hào)即后面的3個(gè)OFDM感知符號(hào)，可以用R&S SMW200A K114自定義OFDM選件產(chǎn)生。該選件可以任意設(shè)置OFDM信號(hào)的子載波間隔，循環(huán)前綴，信號(hào)長度，Pilot和Data的調(diào)制方式等。如下圖12，我們?cè)O(shè)置OFDM的子載波間隔為30kHz，子載波數(shù)為3300，CP長度為281 sample，長度3個(gè)符號(hào)，一個(gè)pilot，兩個(gè)Data?？傞L度107.2us。

圖12：R&S SMW200A K114 自定義OFDM選件產(chǎn)生通感一體化信號(hào)的OFDM感知信號(hào)

“4P”感知信號(hào)即4個(gè)符號(hào)的Chirp脈沖的產(chǎn)生需要用到Pulse Sequencer軟件，打開脈沖設(shè)置界面，可以設(shè)置脈寬，脈沖周期。在Pulse Sequencer軟件中把剛才生成的幾個(gè)波形按時(shí)間要求的順序排列在一起，然后把第一個(gè)波形(即Pulse)生成一個(gè)Marker供波形觸發(fā)輸出用，其他波形的Marker去掉。最后可以生成一個(gè)“4P3C感知+通信”的通感一體化信號(hào)，導(dǎo)入到信號(hào)源SMW200A中播放，即可由信號(hào)源發(fā)出通感一體化信號(hào)，模擬鄰小區(qū)干擾。

圖13：R&S Pulse Sequencer軟件產(chǎn)生Chirp脈沖, 編輯疊加其他信號(hào)并產(chǎn)生通感一體化波形

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信號(hào)分析解決方案

基站產(chǎn)生的通感一體化信號(hào)中，由于線性調(diào)頻脈沖為了測(cè)遠(yuǎn)距離，可能功率比較大，脈沖功率大意味著信號(hào)的峰均比會(huì)進(jìn)一步增加，從而壓縮基站放大器的工作空間。在采取了DPD預(yù)失真算法后，基站可能會(huì)工作在非線性去，從而能保證線性區(qū)增加。在此基礎(chǔ)上導(dǎo)致的信號(hào)質(zhì)量是否保證，可以用R&S 寬帶信號(hào)分析儀FSW來分析。如下圖，在通感一體化信號(hào)中，可以用FSW K144 5G選件來篩取相應(yīng)的通信信號(hào)，分析對(duì)應(yīng)的通信信號(hào)的EVM，確保其信號(hào)質(zhì)量沒有收到壓縮和干擾。

圖14：R&S FSW 頻譜與信號(hào)分析儀 K144選件分析通感一體化信號(hào)中的通信信號(hào)

其次，可以用FSW的IQ analyzer時(shí)域功能觀察通感一體化信號(hào)在時(shí)域上的表現(xiàn)，如下圖，可以看到4P3C感知信號(hào)在一個(gè)10ms的無線幀之內(nèi)重復(fù)了四次，線性調(diào)頻脈沖加起來一共有16個(gè)脈沖。也可以看到感知OFDM符號(hào)的功率和通信信號(hào)的功率關(guān)系。

圖15：R&S FSW 頻譜與信號(hào)分析儀用于通感一體化信號(hào)的時(shí)域測(cè)量

第三，這些線性調(diào)頻脈沖的功率的一致性是否良好，調(diào)頻范圍是否超過通信頻段的頻率范圍，對(duì)其他小區(qū)是否會(huì)形成干擾至關(guān)重要?？梢杂肍SW的K6選件查看多個(gè)線性調(diào)頻脈沖的功率的一致性，分析調(diào)頻線性度的調(diào)頻帶寬，以確保他們的功率和頻率落在符合要求范圍內(nèi)，如下圖。

圖16：R&S FSW 頻譜與信號(hào)分析儀K6選件監(jiān)測(cè)通感一體化信號(hào)的脈沖功率和帶寬

最后，線性調(diào)頻脈沖的調(diào)頻斜率是否良好，一致性度是否良好，對(duì)于保證感知算法的魯棒性非常重要。如下圖，可以用FSW的K60C選件查看多個(gè)線性調(diào)頻脈沖的調(diào)頻斜率的參數(shù)以及其一致性，分析線性調(diào)頻信號(hào)的質(zhì)量，確保他們的調(diào)頻線性度落在設(shè)計(jì)的要求范圍內(nèi)。

圖17：R&S FSW 頻譜與信號(hào)分析儀K60C選件分析通感一體化信號(hào)的線性調(diào)頻信號(hào)質(zhì)量

結(jié)語

通感一體化技術(shù)是近年來通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是一項(xiàng)通信領(lǐng)域的新的變革融合技術(shù)。為了應(yīng)對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)帶來的測(cè)試挑戰(zhàn)，R&S公司采用最新的 AREG800A作為目標(biāo)模擬器，配合不同頻段的射頻前端模塊，同時(shí)把射頻前端模塊的變頻損耗、變頻時(shí)延、以及相位變化對(duì)目標(biāo)模擬的影響設(shè)計(jì)到系統(tǒng)里面去，構(gòu)建了全球第一套商業(yè)化的通信感知一體化測(cè)試解決方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)對(duì)象距離，角度，速度等參數(shù)的模擬，驗(yàn)證了被測(cè)系統(tǒng)高精度定位目標(biāo)對(duì)象的能力。為了產(chǎn)生通感一體化信號(hào)進(jìn)行模擬和干擾測(cè)試，R&S公司采用先進(jìn)的SMW200A超寬帶信號(hào)源，利用其超強(qiáng)功率的Pulse Sequencer軟件結(jié)合5G選件K144, 自定義OFDM選件K144產(chǎn)生符合要求的通感一體化信號(hào)。同時(shí)， R&S公司借助超寬帶頻譜與信號(hào)分析儀FSW的K6脈沖測(cè)量選件，K60C線性調(diào)頻測(cè)量選件能否完成基站通感一體化信號(hào)的中線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的質(zhì)量和一致性。

作為全球領(lǐng)先的測(cè)試測(cè)量儀表廠商，羅德與施瓦茨 (Rohde & Schwarz，以下簡(jiǎn)稱R&S) 公司專注于測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域90多年，對(duì)于通感一體化的測(cè)試驗(yàn)證早在從2021年12月份開始和中國移動(dòng)研究院研究如何在實(shí)驗(yàn)室搭建符合當(dāng)前通感一體化預(yù)研需求的測(cè)試平臺(tái)。經(jīng)過一年多的努力，羅德與施瓦茨公司與2022年9月向中國移動(dòng)研究院交付了全球第一套用于通感一體化測(cè)試的實(shí)驗(yàn)室原型機(jī)系統(tǒng)，雙方借助在各自領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，共同開展通感一體化技術(shù)研究和驗(yàn)證，并取得了一定成果。R&S一系列用于通感一體化的解決方案公開展示于2023年/2024年巴薩羅那MWC通信展、2023年/2024年上海MWC通信展等。通感一體化的研究項(xiàng)目還在如火如荼的進(jìn)行，采用不同波形感知的結(jié)果有何不同，適用于那種場(chǎng)景的感知，雷達(dá)回波的算法該采取何種算法才能有效提取出回波的信息，等等各種研究都可以采用R&S公司的解決方案來更快、更有效率的加速通感一體化的研發(fā)進(jìn)程，為6G產(chǎn)業(yè)落地奠定基礎(chǔ)。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測(cè)試測(cè)量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。 成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。