01什么是“通感一體化”?

通信感知一體化Integrated sensing and communication (ISAC)，簡稱通感一體化，是第6代移動通信技術(以下簡稱“6G”)的研究熱點之一，顧名思義就是通信和感知進行融合。 “通信”是指對信息進行傳輸，我們上大學時學過樊昌信的《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行的信息交流與傳遞。而“感知”呢?它是一個認知學名詞，我們身體上的每一個器官接受外接的信號并轉換成為感覺信號，再經由大腦進行處理，帶來了對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，即被動感知和主動感知。被動感知是指設備不發射信號，只接收目標對象發射的電磁波進行感知，也叫無源感知，比如天文學中的射電望遠鏡，感知天體發射的微弱電磁波，轉化成可識別的信號。主動感知最著名的技術就是通常意義上的雷達，雷達設備發射電磁波，經過目標對象反射后，接收目標的回波進行感知。因此，感知領域最廣為人知的就是雷達了。

通感一體化就是在下一代無線通信系統中復用無線資源進行感知，利用通信系統提供感知服務，利用一套基礎建設搭建通信和感知兩張網絡，實現通信與感知兩種業務的深度復用，構建移動通信的新范式，拓展無線通信的功能邊界。

通感一體化作為下一代移動通信的研究熱點之一，其設計初衷有以下三點：

雷達系統和通信系統是頗有淵源的，有非常多的共同之處，例如硬件架構、信號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或者少改動現有系統。如果考慮要商用，這是無法避免的一個成本話題，這種一體化的設計能夠獲得“增益”。

無線頻譜資源是有限的，下一代無線通信系統希望實現感知，最理想的就是復用現在的通信頻段，實現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能夠互惠互利，讓無線通信和無線感知兩個功能在同一系統中能實現共享，利用通信提供感知服務，同時，感知服務反饋通信，提高服務質量，從而獲得一體化系統的“協作增益”。

02通感一體化的標準化進展、產業界現狀及潛在落地的應用場景

標準化方面，國內IMT-2020(5G)和IMT-2030(6G)專門成立了研究通感一體化的攻關小組，積極研究通感一體的技術方案。2022 至2023 年間，連續發布了《5G-Advanced 通感融合場景需求研究報告》、《通信感知一體化技術研究報告》、《通感融合系統設計研究報告》等相關文獻。國際通信標準化3GPP(3rd Generation Partnership Project)組織Release 19已經立項了對通感一體化的可行性研究，并于2022年5月發布了3GPP TR 22.837 技術報告的第一版，近兩年又增加了對感知信道模型和網絡架構等前沿研究。

近年來通感一體化逐漸從學術界延申到產業界生根發芽。基于雷達的目標感知和目標成像在雷達領域是比較成熟的，且應用于汽車雷達、合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)等領域。借助于雷達領域的成熟技術，產學研各界將感知移植到無線通信領域中，在近年來取得了一系列的研究成果。以基站設備商、運營商為代表的產業界在過去兩年投入了巨大的精力和資源，成功進行了一系列實驗。目前國內通感一體化集中研究的頻段兩個頻段，一個是在5G通信的毫米波頻段即26GHz頻段左右，該頻段是3GPP中標準的5G FR2頻段，國內還未開始商用。一個是在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運營商使用。2024年5月起，中國移動組織各大基站設備商以FR1 4.9GHz為代表、FR2毫米波為輔助進行了集中的實驗室新技術實驗，外場環境試驗，在全球范圍內首先啟動4.9GHz 通感一體規模組網試點，計劃在不少于十個省份，部署數百站規模，探索商業落地模式。2024年6月中國電信和中國聯通也啟動了針對于毫米波的通感一體化新技術實驗室實驗和外場試驗，探索基站部署方式。

在通感一體化的落地應用方面，目前越來越明確。中國運營商針對中國國情，提出了三個方面的落地應用：

1低空經濟

低空經濟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為牽引，輻射帶動相關領域融合發展的綜合性經濟形態，涉及居民消費和工業應用兩大場景。“低空經濟”在2024年3月全國兩會首次寫入政府工作報告。近日，工業和信息化部、科學技術部、財政部、中國民用航空局印發《通用航空裝備創新應用實施方案(2024—2030年)》(以下簡稱《方案》)，提出到2030年，推動低空經濟形成萬億級市場規模。城市部署的現成的密集基站的覆蓋可利用現有資源有效形成對難以捕捉的低空飛行器的實時跟蹤和路線規劃，基于地面基站的通感一體化的低空安防、低空物流跟蹤、地空一體化協同監管將會成為低空經濟增長的強大推動力。同時，2024 年1 月，國務院、中央軍委聯合頒布的《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》正式施行，標志著我國無人機產業進入“有法可依”規范化發展新階段。

2航道管理

航道是國家重要的公益性交通基礎設施，是綜合交通運輸體系的重要組成部分。交通運輸部關于加強“十四五”期全國航道管理工作的意見指出，我國航道養護里程穩定在10.8萬公里左右，內河航道一類養護達到2.4萬公里，力爭內河高等級航道電子航道圖覆蓋率60%以上。目前的船舶交通管理系統(Vessel Traffic Services, VTS)通過船只上報信息、雷達與視頻聯動等方式獲取船只位置，但對于船只拒不上報、雷達近處感知盲區等場景仍需進一步提升。基于航道周邊部署的基站的通感一體化技術具備全天候作業、無需船只上報、無需船只配合、信號覆蓋連續等優勢，可進一步強化航道暢通保障能力，強化航道規范管理，推進智慧航道發展，推進航道基礎設施信息數字化，逐步實現全國內河高等級航道“一張圖”覆蓋。

3海洋監測

我國作為海洋大國,近年來海洋事業在國家發展中 的戰略地位和作用日益凸顯。由于歷史原因和國際政治風云變化,我國近海權益面臨錯綜復雜的形勢, 資源盜采、非法測繪、非法捕撈、非法闖入、非法通行等行為頻發, 我國大部分管轄近海尚未實現全面監控,只能依靠執法船巡航、近岸監控視頻、衛星遙感等手段予以應對, 各種監視系統間缺乏信息共享，協同監視能力弱、時效性差。基于近海基站、海洋島嶼 基站的通感一體化技術可有效解決船只不配合應答、全天候、全氣象條件下的智慧海洋監測。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，這些部署在天之涯海之角島礁上的通信基站將會發揮巨大的監管作用，有助于我國建成海洋強國。

03通感一體化的測試痛點及解決方案

技術落地，測試先行。通感一體化是一項全新的融合技術，給相應的測試帶來了巨大的挑戰。首先，研究人員不可能每次測試或者算法驗證都在外場進行，而且業界對感知能力的技術驗證和測試大多基于實際物體，測試場景有限、模擬目標的數量單一并且設置不靈活。算法的完善、硬件的完善、信道模型的建設甚至更多實驗的進行，都還依賴于實驗室模擬環境的搭建。通感一體化應用中最重要的場景是實現定位的功能，尤其是對目標物體的定位，實現多個目標物體的距離、方位、速度等方面的探測。如果考慮到目標物體沒有通信功能，移動特征又不相同，實現起來更加困難。這就需要一個功能強大，穩定性、精度等性能可以滿足需求的測試方案，匹配真實場景對實現方案進行評估。針對不同的頻段，通感一體化可能具有不同的應用場景。只支持單一頻段的測試方案將大大增加研發成本。這就需要一套統一的感知測試方案，例如核心設備不變，配套設備可以靈活地根據頻段需求進行配置。另外，針對FR1頻段，由于暗室尺寸太大，OTA的方案成本太高，需要采用傳導的方案進行測試，而針對FR2或者太赫茲頻段，傳統的傳導方式不再適用，即使是對感知功能的測試，也需要在暗室進行OTA測試。這也勢必需要一個全新的暗室方案，針對通感一體化的需求進行測試。同時，在驗證通感一體化算法和信號質量驗證方面，也需要有能產生通感一體化波形和信號質量分析的平臺來評估其算法的性能和波形質量的性能。因此迫切需要建設一套適合實驗室測試環境的通感一體化解決方案。

羅德與施瓦茨 (Rohde & Schwarz，以下簡稱R&S) 公司專注于測試與測量領域90多年，對于通感一體化的測試驗證早在從2021年12月份開始和中國移動研究院研究如何在實驗室搭建符合當前通感一體化預研需求的測試平臺。目前在目標模擬、信號產生和信號分析方面都有相應的解決方案。

1目標模擬解決方案

針對于目標模擬，R&S公司最新的動態目標模擬器R&S AREG800A是專門的目標模擬器，可以輕松根據用戶需求，產生多個具有不同距離、大小、速度的目標, 不僅可以模擬靜態目標場景，還可以模擬動態目標場景，例如多個目標同時運動，有些目標運動、有些目標靜止的場景。可以搭配適合不同頻段的射頻前端模塊，實現基于Sub-6G、毫米波甚至太赫茲頻段的通感一體化測試，同時需要把射頻前端模塊的變頻損耗、變頻時延、以及相位變化對目標模擬的影響考慮進去，在目標模擬器中做好相應的補償。它的主機支持頻率0.7GHz到5.7GHz，適合于5G FR1頻段的通感一體化實驗;配合R&S公司射頻前端FE44S 使用，可支持5G毫米波24-44GHz的通感一體化測試;配合R&SAREG8-24S/-24D可支持24 GHz汽車雷達頻段，配合射頻前端R&SAREG8-81S/-81D或R&SQAT100先進天線陣列可支持 77 GHz/79 GHz 的汽車雷達頻段，確保與未來的短程雷達傳感器兼容，滿足當今和未來的測試要求。

圖4 R&S公司的動態目標模擬器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回波的應用，例如在早期研發、芯片組開發期間模擬具有動態距離變化的物體，在 通感一體化的早期驗證期間的感知波形驗證、感知算法開發、感知精度和實時性驗證、分辨率驗證功能等，其模擬的目標距離最小可短至< 4 m，利用可選的內部模擬步進延遲線路，用于驗證例金距離的感知測試;最遠距離目前已經拓展到20km，用于海域場景的目標感知，專為遠距離感知場景而設計。同時，為了應對可能的重疊目標，目標距離的分辨率達到厘米級。模擬多達8個具有單獨距離、物體大小的目標，具有單獨的距離，物體大小和徑向速度在單個通道上一起使用時最多32個目標模擬，充分滿足大規模目標虛警率和誤警率的測試。基于FPGA強力的運算能力，多普勒速度的模擬能力最大可達到500km/h，與此同時，多普勒速度的分辨精度達到<0.001 km/h。目標信息的更新率在通用情況下可達10ms/次，如果使用實時硬件在環環境，則目標刷新率可達到0.1ms/次。

通感一體化目標模擬方案在OTA場景中如下圖，目標模擬器模擬目標的距離，速度，和RCS，而天線的波束方向模擬目標的回波方向。對于FR1的通感一體化，R&S公司目標模擬器R&S AREG800A主機直接支持。對于毫米波通感一體化，R&S公司動態目標模擬器R&S AREG800A配合射頻前端FE44S，實現到毫米波的變頻，組成的通感一體化測試平臺，使用一臺AREG800A，配合兩臺FE44S，一個充當發射，一個充當接收，通過天線來實現回波的方向，如圖6所示，從而實現一臺主機同時支持FR1和FR2。

圖6 R&S公司通感一體化OTA測試方案連接示意圖

而FR1頻段業界目前建議采用傳導測試。因為FR1頻段的幾種天線尺寸大，如果要采取OTA測量，則要求遠場的距離要求大于45米，需要的暗室場地太大;同時，如果采取緊縮場，目標的方向性只能在徑向上得到模擬，其他方向無法模擬。通感一體化目標模擬方案的傳導測試連接如下圖7所示，R&S公司動態目標模擬器R&S AREG800A接收FR1基站信號做目標模擬，可以模擬4m~3000m的目標，每個通道可以模擬8個目標，每個目標的RCS， 速度，距離都可單獨設置。對于Sub 6GHz的信號，單機可模擬4個通道。因此最多可模擬32個目標。目前對遠距離的目標已經能模擬20km的目標。因為沒有天線來模擬目標的回波方向，所以要加上移相器矩陣來模擬目標的方向。這對模擬器提出了巨大的挑戰，因為運動目標的速度、距離和方位是同時變化的，要求模擬器能和移相器進行同步。目前AREG800A模擬器已經能實現模擬器輸出trigger，也能接收外部發出的trigger，實現了模擬器和移相器的同步。輸出的Trigger和來自外部的trigger都可以自由設置trigger offset，用于補充路徑上可能有的延遲，實現精確的觸發測量。在基站傳導的靈敏度測試用例中，也能接收來自基站發出的trigger，實現精確的靈敏度測試。

圖7 R&S公司 FR1通感一體化傳導測試方案連接示意圖

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試方案，在方案中，使用了信號源R&SSMA200A和頻譜分析儀R&SFSW當作雷達，一發一收來模擬帶感知功能的雷達的。信號源R&SSMW200A發射寬帶的5G信號混合線性調頻信號的通感一體化的信號，頻譜分析儀R&SFSW來接收經過目標模擬器R&S AREG800A之后回來的回波信號，采集IQ數據進行相關的算法分析，得到目標具體、速度等，感知目標特征。同時，當信號源發CW信號時，還可以從頻率儀讀出多普勒頻偏，如果有網絡分析儀，還可以使用矢量網絡分析儀測量出雷達發出信號和雷達收到信號之間的時延差。

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試方案

對于目標的運動軌跡，模擬器呈現的是基站的本地坐標系，即基站的天線陣列中心為原點的距離、方位。基站對目標的感知通常上報的是目標的經緯高度信息，因此需要模擬器能夠把目標的運動軌跡和經緯度信息關聯起來。R&S AREG800A已經能夠把目標的運動軌跡和通用的經緯高度信息關聯。如圖9，以基站天線陣列的中心為原點，站心坐標系采取正東向為x軸，正北向為y軸，指向天空為z軸，那么在AREG800A上的運動軌跡在本地坐標系的任意時刻位置可以描述出，該軌跡可以轉換成全球通用的WGS-84地心坐標系坐標，即GPS通用的經度、緯度、海拔高度信息。該值可為儀表提供的軌跡真值，可與基站定位上報的目標經緯度度信息對比，即可測量出運動軌跡的定位誤差。同樣，對于外場真實目標通過GPS接收機接收到的真實運動軌跡(包含有經度、緯度、海拔高度信息)，也轉變成以基站為參考視角的本地運動軌跡，導進入目標模擬器來進行模擬。

圖9 R&S AREG800A模擬器的目標運動軌跡與全球地理坐標WGS-84坐標的互相轉換

2信號生成解決方案

通感一體化技術落地的一個關鍵點在于如何在現行通信系統中加入感知信號。當前4G、5G通信系統采用的都是采用的正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)信號。OFDM信號若用作感知波形，其優點是不存在近端盲區，但收發難以隔離，為保證收發隔離度，發射功率較低、覆蓋距離有限。考慮到雷達系統常用的信號是線性調頻脈沖(Chirp 脈沖)，其感知覆蓋范圍可達千米，但存在近端盲區。中國運營商提出通過線性調頻脈沖和OFDM符號相結合的混合信號做為感知信號，融合通信和雷達兩種波形技術優勢，OFDM符號覆蓋近距離、脈沖覆蓋遠距離，實現遠近連續覆蓋。目前中國移動首創提出可擴展的通感融合幀結構，以N79 頻段典型2.5ms 雙周期DDDSUDDSUU 幀結構為例，將感知脈沖承載于下行時隙的開頭部分4個符號，確保規避遠端干擾;感知脈沖后3 個符號靈活選取是用脈沖還是OFDM符號，OFDM符號可用于近距離，覆蓋近遠距離的需求;如果需要感知的目標位于海域距離比較遠(例如20km)時，則將這三個符號用于脈沖，可覆蓋超遠距離的目標感知。這樣靈活選取的結構開銷非常低，滿足感知和通信同時工作的平衡。

圖10 中國移動提出的“4P3C”典型通感一體化幀結構

在通感一體化基站原型機驗證中，通常需要加入鄰小區的通感信號來模擬對其他小區通信和感知的干擾。那么這樣的信號如何產生?R&S公司先進的矢量信號源SMW200A采用靈活的模塊化設計，既能產生復雜的標準通信信號如2G/3G/4G/5G，又能產生自定義的OFDM信號，還有強大的脈沖序列模擬軟件Pulse sequencer，非常適合產生通感一體化波形的前期驗證和干擾產生。

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

通信信號的產生需要用到SMW K144 5G選件，設置好小區ID號，按照2.5ms 雙周期DDDSUDDSUU 幀結構，空出每個2.5ms的前7個符號，如圖11。

圖11：R&S SMW200A K144 5G選件產生通感一體化信號的通信信號

“3C”感知信號即后面的3個OFDM感知符號，可以用R&S SMW200A K114自定義OFDM選件產生。該選件可以任意設置OFDM信號的子載波間隔，循環前綴，信號長度，Pilot和Data的調制方式等。如下圖12，我們設置OFDM的子載波間隔為30kHz，子載波數為3300，CP長度為281 sample，長度3個符號，一個pilot，兩個Data。總長度107.2us。

圖12：R&S SMW200A K114 自定義OFDM選件產生通感一體化信號的OFDM感知信號

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

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

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信號分析解決方案

基站產生的通感一體化信號中，由于線性調頻脈沖為了測遠距離，可能功率比較大，脈沖功率大意味著信號的峰均比會進一步增加，從而壓縮基站放大器的工作空間。在采取了DPD預失真算法后，基站可能會工作在非線性去，從而能保證線性區增加。在此基礎上導致的信號質量是否保證，可以用R&S 寬帶信號分析儀FSW來分析。如下圖，在通感一體化信號中，可以用FSW K144 5G選件來篩取相應的通信信號，分析對應的通信信號的EVM，確保其信號質量沒有收到壓縮和干擾。

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

其次，可以用FSW的IQ analyzer時域功能觀察通感一體化信號在時域上的表現，如下圖，可以看到4P3C感知信號在一個10ms的無線幀之內重復了四次，線性調頻脈沖加起來一共有16個脈沖。也可以看到感知OFDM符號的功率和通信信號的功率關系。

圖15：R&S FSW 頻譜與信號分析儀用于通感一體化信號的時域測量

第三，這些線性調頻脈沖的功率的一致性是否良好，調頻范圍是否超過通信頻段的頻率范圍，對其他小區是否會形成干擾至關重要。可以用FSW的K6選件查看多個線性調頻脈沖的功率的一致性，分析調頻線性度的調頻帶寬，以確保他們的功率和頻率落在符合要求范圍內，如下圖。

圖16：R&S FSW 頻譜與信號分析儀K6選件監測通感一體化信號的脈沖功率和帶寬

最后，線性調頻脈沖的調頻斜率是否良好，一致性度是否良好，對于保證感知算法的魯棒性非常重要。如下圖，可以用FSW的K60C選件查看多個線性調頻脈沖的調頻斜率的參數以及其一致性，分析線性調頻信號的質量，確保他們的調頻線性度落在設計的要求范圍內。

圖17：R&S FSW 頻譜與信號分析儀K60C選件分析通感一體化信號的線性調頻信號質量

結語

通感一體化技術是近年來通信領域的研究熱點，是一項通信領域的新的變革融合技術。為了應對這項新技術帶來的測試挑戰，R&S公司采用最新的 AREG800A作為目標模擬器，配合不同頻段的射頻前端模塊，同時把射頻前端模塊的變頻損耗、變頻時延、以及相位變化對目標模擬的影響設計到系統里面去，構建了全球第一套商業化的通信感知一體化測試解決方案，實現了對目標對象距離，角度，速度等參數的模擬，驗證了被測系統高精度定位目標對象的能力。為了產生通感一體化信號進行模擬和干擾測試，R&S公司采用先進的SMW200A超寬帶信號源，利用其超強功率的Pulse Sequencer軟件結合5G選件K144, 自定義OFDM選件K144產生符合要求的通感一體化信號。同時， R&S公司借助超寬帶頻譜與信號分析儀FSW的K6脈沖測量選件，K60C線性調頻測量選件能否完成基站通感一體化信號的中線性調頻脈沖信號的質量和一致性。

作為全球領先的測試測量儀表廠商，羅德與施瓦茨 (Rohde & Schwarz，以下簡稱R&S) 公司專注于測試與測量領域90多年，對于通感一體化的測試驗證早在從2021年12月份開始和中國移動研究院研究如何在實驗室搭建符合當前通感一體化預研需求的測試平臺。經過一年多的努力，羅德與施瓦茨公司與2022年9月向中國移動研究院交付了全球第一套用于通感一體化測試的實驗室原型機系統，雙方借助在各自領域的優勢，共同開展通感一體化技術研究和驗證，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目還在如火如荼的進行，采用不同波形感知的結果有何不同，適用于那種場景的感知，雷達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進程，為6G產業落地奠定基礎。

羅德與施瓦茨業務涵蓋測試測量、技術系統、網絡與網絡安全，致力于打造一個更加安全、互聯的世界。 成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團，通過發展尖端技術，不斷突破技術界限。公司領先的產品和解決方案賦能眾多行業客戶，助其獲得數字技術領導力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業，公司在全球范圍內獨立、長期、可持續地開展業務。