华为研究-通信感知一体化从理论走向标准.pdf
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1、华为技术有限公司深圳市龙岗区坂田华为总部办公楼电话:+86 755 28780808邮编:518129免责声明本资料可能含有预测信息,包括但不限于有关未来的财务、运营、产品系列、新技术等信息。由于实践中存在很多不确定因素,可能导致实际结果与预测信息有很大的差别。因此,本资料信息仅供参考,不构成任何要约或承诺,华为不对您在本资料基础上做出的任何行为承担责任。华为可能不经通知修改上述信息,恕不另行通知。版权所有 2023 华为技术有限公司,保留一切权利。非经华为技术有限公司书面同意,任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本资料内容的部分或全部,并不得以任何形式传播。商标声明 和 是华为技术有限公司商标或
2、者注册商标,在本资料中以及本资料描述的产品中,出现的其它商标、产品名称、服务名称以及公司名称,由其各自的所有人拥有。、6G通信感知一体化技术性能需求与评估方法 第1页6G通信感知一体化感知辅助的环境重构与信道重构 第44页网络协作通信感知一体化系统干扰特性分析 第81页面向垂直行业和医疗应用的通信感知一体化 第123页Balong Modem演进思考 第160页2023年10月第 2 期(总第5期)内部资料 免费交流准印证号:(粤B)L0230030Communications of HUAWEI RESEARCH通信与感知一体化是6G的技术创新。感知是无线电传输科学的基本效应,通过数字接收机
3、可以探测物理环境中的无线电波传播特征,通过先进的信号处理算法可以实现对移动终端的更高精度定位,进而重构出物理世界的场境。这就是使用感知数据来实时构建现实世界的数字孪生。对于6G,由于厘米波、毫米波、亚太赫兹波的无线电波长度较小,具有更高的频率和更大的频谱带宽优势,我们可以重构出高精度、高分辨率的数字世界,甚至可以探测材料的性质。这些独有的新能力,让6G真正达到“超越连接”的境地。两类崭新的6G使能技术使得无线感知将在6G释放更大的价值。其一是感知和通信的原生集成,无需额外的频谱和网络投资,每个移动终端、每个基站都能开启6G感知功能,并通过单基(Monostatic)和双基(Bistatic)两
4、种方式进行协作感知,可以精准地重构实时的现实世界,使智能通信成为可能,这将大幅提高无线传输的可靠性和网络容量。其二是将感知和机器学习结合起来,让6G的感知数据作为训练数据集,如此,机器学习特别是基于大模型的AI可以不断地学习、适应现实世界,为每个用户、每个场景提供定制化的AI服务。因此,6G感知将作为数据驱动的智能服务和应用的引擎,即使6G网络仅有1%的容量被分配用于感知,所有移动终端每天仍将产生奎塔字节级的超大感知数据量,全球基站每天感知的数据可达泽塔字节级别之巨。从机器学习的角度来看,6G感知数据将成为AI训练的主要数据源,并驱动生成型AI服务和交互型AI服务。鉴于此,6G感知是物理世界和
5、数字世界接口,是两个世界的连续体。6G感知数据是构建和提供AI服务的来源。6G感知将与AI服务和应用一起普及到每个终端、每个基站。本期华为研究将专门介绍6G ISAC的研究进展,华为6G研究团队和我们的学术界朋友们以及工业界伙伴们贡献了他们的最新成果,这些基础研究工作将为6G ISAC技术的构建奠定基础。在此,我们对他们的突破性贡献表示衷心的感谢。朱佩英博士华为Fellow童文博士华为Fellow编者按通信与感知一体化是6G的技术创新。感知是无线电传输科学的基本效应,通过数字接收机可以探测物理环境中的无线电波传播特征,通过先进的信号处理算法可以实现对移动终端的更高精度定位,进而重构出物理世界的
6、场境。这就是使用感知数据来实时构建现实世界的数字孪生。对于6G,由于厘米波、毫米波、亚太赫兹波的无线电波长度较小,具有更高的频率和更大的频谱带宽优势,我们可以重构出高精度、高分辨率的数字世界,甚至可以探测材料的性质。这些独有的新能力,让6G真正达到“超越连接”的境地。两类崭新的6G使能技术使得无线感知将在6G释放更大的价值。其一是感知和通信的原生集成,无需额外的频谱和网络投资,每个移动终端、每个基站都能开启6G感知功能,并通过单基(Monostatic)和双基(Bistatic)两种方式进行协作感知,可以精准地重构实时的现实世界,使智能通信成为可能,这将大幅提高无线传输的可靠性和网络容量。其二
7、是将感知和机器学习结合起来,让6G的感知数据作为训练数据集,如此,机器学习特别是基于大模型的AI可以不断地学习、适应现实世界,为每个用户、每个场景提供定制化的AI服务。因此,6G感知将作为数据驱动的智能服务和应用的引擎,即使6G网络仅有1%的容量被分配用于感知,所有移动终端每天仍将产生奎塔字节级的超大感知数据量,全球基站每天感知的数据可达泽塔字节级别之巨。从机器学习的角度来看,6G感知数据将成为AI训练的主要数据源,并驱动生成型AI服务和交互型AI服务。鉴于此,6G感知是物理世界和数字世界接口,是两个世界的连续体。6G感知数据是构建和提供AI服务的来源。6G感知将与AI服务和应用一起普及到每个
8、终端、每个基站。本期华为研究将专门介绍6G ISAC的研究进展,华为6G研究团队和我们的学术界朋友们以及工业界伙伴们贡献了他们的最新成果,这些基础研究工作将为6G ISAC技术的构建奠定基础。在此,我们对他们的突破性贡献表示衷心的感谢。朱佩英博士华为Fellow童文博士华为Fellow编者按华为研究内部资料,免费交流准印证号:(粤B)L0230030主编:廖恒本期责任主编:童文,朱佩英编委会:廖恒,童文,肖新华,胡邦红,周慧慧,鲍丰,Jeff Xu,陈海波,陆品燕,张小俊,李瑞华,白博索阅、投稿、建议和意见反馈,请联系:HWR印刷数量:4000本印刷单位:雅昌文化(集团)有限公司印刷地址:深圳
9、市南山区深云路19号印刷日期:2023年10月20日版权所有 2023 华为技术有限公司,保留一切权利。ISAC标准化前瞻ISAC环境感知目 录6G通信感知一体化技术性能需求与评估方法 ITU-R 6G标准化的下一个里程碑 01张云昊,张闽,陈雁,朱佩英WLAN感知标准化:IEEE 802.11bf37杜瑞,娜仁格日勒,唐竹青,狐梦实,张逸炎,辛岩,Junghoon Suh,Osama AboulMagd,Stephen McCann,Michael Montemurro,Rojan Chitrakar,黄磊,韩霄 通信感知一体化:开启无线网络的又一扇门25姜大洁,姚健,李健之,丁圣利,袁雁南
10、,陈保龙,秦飞6G通信感知一体化新型混合信道建模11陈燚,杨雯斐,余子明通信感知一体化潜在重点空口关键技术浅析19沈霞,江甲沫,徐晓燕6G通信感知一体化感知辅助的环境重构与信道重构44周知,何佳,毕晓艳,余子明,陈燚,陈雁,王光健,马江镭,朱佩英混合孔径环境重构技术及其应用49罗嘉金,彭晓辉,于洋,张平,周保建,毕晓艳,陈雁,马江镭,朱佩英ISAC应用与验证ISAC理论与算法通信感知一体化下的环境感知辅助通信57曾婷,张捷宝,龚秋莎无线蜂窝网络中的环境感知:模型、架构与方法66童欣,郭康,邢子青,杨照辉,张朝阳通信感知一体化中基于单基感知的双基信道估计73Narcis Cardona,杨雯斐,
11、Alejandro Castilla,Alejandro Lopez-Escudero,李剑 网络协作通信感知一体化系统干扰特性分析81张小舟,韩林丛,韩子祥,马良,王亚娟,楼梦婷,金婧,王启星通信成像一体化:进展、挑战与展望87黄艺璇,杨杰,金石高斯信道下通信感知一体化的信息理论极限94刘凡,熊一枫,袁伟杰,崔原豪,韩霄具备AI辅助跟踪的多基站协同感知107Elia Favarelli,Elisabetta Matricardi,Lorenzo Pucci,Enrico Paolini,许文,Andrea Giorgetti 太赫兹通信感知一体化时频空信号设计101吴永知,韩充SWIPT通信
12、感知一体化系统性能116刘勐,杨明磊,刘楠面向垂直行业和医疗应用的通信感知一体化123王光健,刘乔,臧军伟,何佳,余子明,葛士斌,张嘉男,万涛,李欧鹏,杜贤峰,刘瑶,崔建行,黄国龙,张军平,卢磊,陈雁通信感知一体化在车联网领域的关键技术与应用133林英沛,卢磊,Chan Zhou,苏宏家,Richard Stirling-Gallacher,葛士斌,齐鸿,Qi Wang 通信感知一体化系统的多目标检测与定位142杨琪,韩志强,蒋创新,娄俊鹏,刘娟面向网络协作的通信感知一体化软硬件验证平台148薛东升,冀可嘉,魏嘉辰,马丁友,张奇勋,冯志勇未来智能物联网通信感知一体化探索155常兆心,张扶桑,张
13、大庆其他Balong Modem演进思考160白欣,张志勇,刘江华01|华为研究 2023 年 10 月ISAC 标准化前瞻通信感知一体化(简称“通感一体化”)的概念正日益受到学术界、工业界和标准化机构的关注,并被 ITU-R 正式纳入 6G 的六大使用场景。ITU-R 6G 标准化的下一个里程碑是确定包括通感一体化在内的六大使用场景的技术性能需求(Technical Performance Requirement,TPR)和评估方法。本文首先介绍了 ITU-R 和 3GPP TPR 和评估方法的研究时间表。然后,我们探索了 6G 潜在的通感一体化用例,并讨论受这些用例驱动的感知服务需求,重点
14、是感知功能和关键性能指标,这些指标触发了基于用例的测试环境的提议,用于感知相关的 TPR 评估。最后,我们讨论了针对每种感知测试场景的评估方法,并分别介绍了相应的系统级仿真流程和链路级仿真流程。关键词6G,感知,通感一体化,技术性能需求(TPR),评估方法摘要张云昊 1,张闽 2,陈雁 3,朱佩英 31 无线技术实验室2 慕尼黑先进无线技术实验室3 渥太华先进无线技术实验室6G 通信感知一体化技术性能需求与评估方法 ITU-R 6G 标准化的下一个里程碑华为研究|02 2023 年 10 月ISAC 标准化前瞻1 引言1.1 IMT-2030 的 ITU-R 框架在未来的通信系统中,使用更高的
15、频段(从厘米波、毫米波到太赫兹)、更宽的带宽和更密集的大规模天线阵列,使通信和感知能够一体化并相互增强 1。一方面,整个通信系统可以作为传感器,探索无线信号的传输、反射和散射特征,以“理解”物理世界,并提供全新的用户体验,这种方式通常称为“网络作为传感器”。另一方面,通过无源感知实现的高精度定位、成像和环境重构,可提高通信性能,实现更准确的波束赋形、更快速的波束失效恢复以及用更少的信号开销跟踪信道状态信息,这种方式通常称为“感知辅助通信”。从松散耦合到完全一体化,通信和感知的融合可以在不同的系统级别上实现,例如共享频谱、硬件、信号处理、协议栈,甚至跨模块或跨层的信息共享。与传统的独立感知相比,
16、未来通感一体化的无线系统可复用通信基础设施,不仅大大降低了的部署成本,还可利用基站和用户设备的大规模可用性来提高感知性能。随着 ITU-R(国际电信联盟无线通信部门)IMT-2030(2030 年及以后的国际移动电信系统)框架建议于 2023年 6 月完成 2,通感一体化已正式成为第六代移动通信(Sixth Generation,6G)的六大使用场景之一。如图 1a所示(该图又称为“车轮图”),通感一体化的典型用例包括网络辅助导航、姿势/手势检测和移动目标追踪、环境监测以及为人工智能(Artificial Intelligence,AI)、XR(扩展现实,包括增强和虚拟现实)和数字孪生应用提供
17、周围环境的感知数据/信息。除了通信能力外,6G 通感一体化还需要支持高精度定位和感知相关能力,包括在图 1b 的“调色板图”中。通感一体化潜在的能力指标包括距离/速度/角度估计、物体和存在检测、定位、成像和制图。1.2 技术性能需求和评估方法标准化时间表ISAC 6G 标准化的下一步包括以下几个方面。虽然由不同的标准组织讨论,但这些方面将相互影响、相互增强:ITU-R 中的技术性能需求(Technical Performance Requirement,TPR)和评估方法研究:这属于 3GPP(a)IMT-2030“车轮图”(b)IMT-2030“调色板图”图 1 IMT-2030(6G)的(
18、a)使用场景和总体方面“车轮图”;(b)网络能力“调色板图”2图 2 ITU-R 与 3GPP 的 6G TPR 与评估方法标准化时间表03|华为研究 2023 年 10 月ISAC 标准化前瞻中的通感一体化用例和服务需求研究:3GPP SA1(系统架构子组 1)R19 的研究项目“通感一体化可行性研究”于2022年初启动。如最新研究报告TR22.837 3所述,已讨论确定了 32 个通感一体化用例,每个用例都包括业务流程、功能需求以及关键性能指标(Key Performance Indicator,KPI)等详细信息。随着这一研究的不断深入,将进一步巩固SA1标准、实现标准化。此外,SA1
19、R20也正在讨论潜在的通感一体化新用例。3GPP 中的技术研究、标准制定和自评估:包括信道建模和评估方法在内的无线接入网(Radio Access Network,RAN)需求评估,将首先在 3GPP RAN 层面讨论,然后在其工作组层面详细标准化 RAN 相关解决方案。解决方案可能包括感知波形的设计和选择、多节点之间联合感知和反馈的协作流程等方面。之后,根据 ITU-R 定义的测试环境,感知相关 TPR 的自评估将由 3GPP RAN 进行,然后结果会提交给 ITU-R,以验证是否满足 IMT-2030 的通感一体化 TPR。2 感知相关的技术性能需求研究2.1 6G 通感一体化评估的潜在用
20、例未来,融合了感知能力的无线通信系统预计将提供广域的、多维度的感知服务,不仅将提供连接设备(如手机)相关的时间-空间信息,还将提供环境中不发送或不接收任何无线信号的物体(如汽车、行人或建筑物)的时间-空间信息。这些具有通感一体化功能的先进无线系统将支持各种创新应用 4,如高精度定位、高分辨率成像、姿势/手势识别以及实时 3D 制图,这些应用将推动自动驾驶、智慧城市、工业自动化、数字健康和沉浸式 XR 等行业的快速发展。虽然 IMT-2030 的通感一体化愿景是作为 6G 的一部分提出的 1,但 5G 演进(正式名称为 5G Advanced)的标准讨论中也预见了其价值。6G 可以提供更大的设计
21、自由度和实现自由度,采用新型波形、帧结构、频谱和网络架构设计支持所有现有的以及未来更先进的通感一体化用例。2.1.1 5G Advanced 研究的通感一体化用例及分析从 2022 年初开始,3GPP SA1 在 R19 中对通感一体化服务进行了可行性研究。该研究旨在识别通感一体化对3GPP 系统的用例和要求,提高网络基础设施利用率,提供新颖的用户体验,并支持通感一体化在垂直行业的商业落地。相关的研究共确定了 32 个用例 3,可以归纳为以下五个部署场景,如图 3 所示:智能交通:利用网络基础设施提供的广覆盖能力,通感一体化可以为交通环境提供一个全新的视角。公路、铁路或街角检测入侵者的用例中,
22、通感一体化可以识别出可能导致致命事件的潜在入侵者,尽管这些入侵者处于 NLOS 情况下。此外,通感一体化凭借被动感知能力和广泛的网络覆盖,可应用于旅游景点或其他传统方式难以获得交通信息的地点,以便提供全国各图 3 潜在的 6G 通感一体化用例分析室内侵入检测周围环境的侵入检测睡眠监测室内沉浸式体验用于沉浸式交互和应用导航的手势识别智慧家庭智慧家庭智能工业智能工业AGV 检测与追踪AMR 防碰撞感知和定位一体化协作机器人太赫兹成像数字孪生停车空间检测电网设施附近的UAV/车辆/行人检测公共安全及危险营救智慧城市智慧城市公路/铁路入侵检测感知辅助的汽车自动驾驶和导航在有障碍物的十字路口感知旅游景区
23、交通管理车辆感知盲点检测无人机飞行轨迹跟踪无人机防碰撞无人机入侵检测数字孪生智能交通智能交通检测、定位和追踪环境重构和成像手势/姿势识别位置/速度估计精度漏检概率/虚警概率分辨率(距离、角度、速度)健康/安全/流量检测按部署场景归类的感知用例按部署场景归类的感知用例技术性能指标技术性能指标感知用例的共有功能感知用例的共有功能感知服务时延重构/成像精度华为研究|04 2023 年 10 月ISAC 标准化前瞻地的实时交通流量信息。此外,通过网络辅助感知,网络基于 3GPP 的补充感知信息,促进高级驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistant System,ADAS)进行数据融
24、合,获得高质量的感知结果,从而使车辆即便在视线受阻、天气恶劣等驾驶条件下仍能自动导航。智能工业:集成了通感一体化功能的自动引导车辆(Automated Guided Vehicle,AGV)可增强与工作人员的互动和安全性。通感一体化在主动检测静态和动态区域、避开障碍等方面发挥着至关重要的作用,包括工作人员和 AGV 周围安全区的确定和维护。全面的感知覆盖可支持连续检测和追踪指定感知服务区域内的目标,对于 AGV 在整个智能工厂中的安全和无碰撞的移动至关重要。智慧家庭:智慧家庭的各种潜在用例包括入侵者检测、沉浸式体验、非接触式睡眠监控和手势识别。在入侵者检测中,一旦出现入侵者(人或动物),感知信
25、号会发生变化。视距(Line-of-Sight,LOS)和非视距(Non-Line-of-Sight,NLOS)径的信号变化可用于确定入侵状态。在沉浸式体验方面,通感一体化促进了相对于参照点的粗略室内追踪,增强了家庭影院的整体用户体验。对于非接触式睡眠监测和手势识别,则需要更精细的运动或微目标追踪,以实现成本效益高、对目标侵入性较低的机制,用于人类呼吸、手势和跌倒的模式识别。智慧城市:通感一体化为支持智慧城市背景下的公共服务开辟了新的可能性,包括降雨监测、城市洪水监测、停车位检测和追踪、智能电网或其他公共设施的入侵检测、公共搜救行动等。智慧城市中不同用例所需的感知结果可能会有很大的差异,从降雨
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